Conexión de parques fotovoltaicos a la red de 34 5 kV en la provincia de Cienfuegos

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Título: Conexión de Parques Fotovoltaicos a la red de 34.5 kV en la provincia de Cienfuegos.. Autor: Pedro Luis Rivero Yera Tutores: MsC. Emilio Francesena Bacallao MsC. Roberto Ripoll Salcines. Santa Clara 2015 "Año 57 de la Revolución" 1.

(2) UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS. Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Título: “Conexión de Parques Fotovoltaicos a la red de 34,5 kV de la provincia de Cienfuegos”. Autor: Pedro Luis Rivero Yera E-mail: privero@uclv.edu.cu Tutores: MsC. Emilio Francesena Bacallao E-mail: emiliof@uclv.edu.cu MsC. Roberto Ripoll Salcines E-mail: ripoll@eleccfg.une.cu. Santa Clara, Cuba, 2015. i.

(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 Eléctrica 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 Tutor. Firma del Jefe de Dpto. Donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica. ii.

(4) Pensamiento El aprendizaje no sólo exige escuchar y poner en práctica, sino también olvidar y después volver a recordar.. John Gray. iii.

(5) Dedicatoria. A mi familia.. iv.

(6) Agradecimientos Quiero expresar mi agradecimiento a todos los que de una forma u otra han colaborado en la realización de este trabajo; pero entre ellos desearía nombrar de forma explícita a mis compañeros de curso que han transitado junto a mí estos 5 años de estudios; al MsC. Roberto Ripoll Salcines y al MsC. Emilio Francesena Bacallao por su apoyo en todos los órdenes, y a todo el personal de la Empresa Eléctrica de Cienfuegos en general. Particular mención requieren también mis tíos, primos y abuela por el valioso apoyo que me han brindado toda su vida. A mi novia por estar tan preocupada en todos los momentos más difíciles de mi trayecto junto a ella. Mención especial requieren mis padres y hermano por su ayuda y paciencia sin límites. A todos ustedes gracias de todo corazón. v.

(7) Tarea Técnica Trabajo de Diploma: Conexión de Parques Fotovoltaicos a la red de 34,5 kV de la provincia de Cienfuegos.. Plan de trabajo: 1. Estudio y descripción de los principales aspectos relacionados con la generación eléctrica mediante Sistemas Fotovoltaicos y su conexión a los sistemas actuales. 2. Determinación de las necesidades y potencialidades del trabajo, según el estudio y estado actual de los paneles o parques solares fotovoltaicos (PSFV) de Cantarrana y el nuevo Proyecto el Cárnico, así como la red eléctrica posible a reconfigurar para su conexión más conveniente al Sistema Electroenergético Nacional (SEN). 3. Análisis detallado de variantes más eficientes propuestas para la conexión de dichos parques, mediante el uso adecuado de Información Científico Técnica (ICT), el software Radial, Excel y otros datos, normativas y sistemas utilizados por la Dirección de Desarrollo de la Unión Nacional Eléctrica (UNE) y la Organización Básica Eléctrica (OBE) de la provincia de Cienfuegos. 4 Realizar análisis económicos en dependencia de las inversiones necesarias a realizar en las propuestas de reconfiguración. 5. Escribir y presentar el informe del trabajo de diploma con todos los requisitos que se exigen.. Diplomante. Tutor. vi.

(8) RESUMEN A partir de la consulta bibliográfica en las referencias actuales asociadas al tema, se caracterizan las fuentes de energía renovables, para centrar la atención en la energía solar, específicamente en la fotovoltaica. Se describen los parques fotovoltaicos conectados a la red y su conveniente inserción en los sistemas eléctricos en la actualidad, precisándose así las potencialidades que tiene Cuba para la explotación de esta energía. Se realiza una descripción del estado actual de la red de 34,5 kV de la provincia de Cienfuegos en su parte más comprometida para la conexión de los PSFV Cantarrana y el nuevo Proyecto del Cárnico, además se describen las posibles conexiones de las variantes a realizar, partiendo de la necesidad del trabajo. En el estudio se utilizan software como el Radial, Excel y otras normativas e indicaciones implementadas por INEL y la dirección de la UNE. Luego se hace un análisis del comportamiento de la red en las diferentes variantes de conexión de los parques, hasta llegar a la comparación con la situación actual, con la que se declara la mejor variante a tomar desde el punto de vista técnico. En último lugar se determina el ahorro del nuevo proyecto PSFV Cárnico, en cuanto a los niveles de gases contaminantes dejados de emitir a la atmósfera y se realiza la comparación de las variantes antes mencionadas desde el punto de vista económico, para mostrar la mejor de ellas en forma integral. Se llega a importantes conclusiones y se ofrecen recomendaciones para trabajos futuros.. vii.

(9) ÍNDICE. RESUMEN .......................................................................................... vii ÍNDICE .............................................................................................. viii INTRODUCCIÓN ............................................................................... 1 CAPÍTULO I. Energías renovables. Sistemas fotovoltaicos. .......... 4 1.1 Introducción ................................................................................................................................. 4 1.2 Fuentes de energías renovables .............................................................................................. 4 1.3 Sistemas Fotovoltaicos .............................................................................................................. 7 1.3.1 Potencial de la Energía Solar ............................................................................................ 7 1.4 Irradiación solar en la superficie terrestre ............................................................................... 9 1.4.1 Tipo de montaje de los sistemas fotovoltaicos (FV) ...................................................... 9 1.4.2 Tecnología de las instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica................................. 12 1.4.3 Descripción de los sistemas conectados a la red eléctrica......................................... 12 1.4.4 Conexión de los sistemas a la red eléctrica .................................................................. 13 1.5 Características fundamentales de los Paneles o Parques Solares Fotovoltaico (PSFV) ............................................................................................................................................................ 15 Conclusiones parciales ................................................................................................................... 19. CAPÍTULO II. Análisis técnico de la conexión de los PSFV Cantarrana y el nuevo Proyecto el Cárnico a la red de 34,5 kV. .. 20 2.1 Barra 34,5 kV CMC .................................................................................................................. 20 2.1.1 Alimentador 1645............................................................................................................... 21 2.1.2 Alimentador 1640............................................................................................................... 23 2.1.3 Alimentador 1635............................................................................................................... 25 2.1.4 Alimentador 1610............................................................................................................... 27 2.1.5 Alimentador 1615............................................................................................................... 27 2.1.6 Alimentador 1620............................................................................................................... 29 2.2 Análisis de área y circuitos implicados en las propuestas de conexión para los PSFV Cantarrana y nuevo proyecto del Cárnico ................................................................................... 30 2.2.1 Estudio de flujo de potencia en las variantes de conexión de los PSFV .................. 31 viii.

(10) 2.2.2 Introducción de datos necesarios al programa Radial ................................................ 31 2.3 Presentación y cálculo de las variantes ................................................................................ 34 2.3.1 Análisis de las variantes ................................................................................................... 37 2.4 Resultados ................................................................................................................................. 44 2.5 Construcción de sección de línea de 34,5 kV para flexibilidad del esquema ................. 45 Conclusiones parciales ................................................................................................................... 46. Capítulo III: Análisis económico financiero del estudio. ................. 47 3.1 Análisis del mercado para la potencia generada .................................................................. 47 3.2 Influencia sobre el medio ambiente ....................................................................................... 49 3.3 Análisis de las variantes de conexión .................................................................................... 50 3.3.1 Indicadores económicos utilizados para el análisis ..................................................... 52 3.3.2 Costo de inversión ............................................................................................................. 53 3.3.3 Período de recuperación de las inversiones ................................................................. 55 3.4 Análisis de resultados .............................................................................................................. 57 Conclusiones parciales ................................................................................................................... 57. CONCLUSIONES GENERALES..................................................... 58 RECOMENDACIONES .................................................................... 59 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................ 60 ANEXOS ............................................................................................. 64. ix.

(11) Introducción.

(12) INTRODUCCIÓN Cada día se hacen más importantes el ahorro y la eficiencia en el mundo actual. El sector energético. se. ve. particularmente. afectado por. las. conductas. derrochadoras,. el. funcionamiento inadecuado de los equipos y componentes que lo integran o ineficiente explotación en la interacción de los mismos como un sistema. El uso eficiente de la energía se ha convertido en los últimos años en una de las mayores preocupaciones a escala mundial. Debido al alto costo de la energía eléctrica actualmente, se impone cualquier medio que permita ahorrarla y aprovecharla óptimamente, lo que puede traducirse en disminución de pérdidas y mejora del factor de potencia, todo esto teniendo en cuenta las limitaciones actuales que requieren la búsqueda de nuevos métodos que sean eficientes y económicamente justificables. Hoy la realidad del entorno en Cuba muestra un incremento de las necesidades energéticas, impulsadas por el desarrollo tecnológico y económico de la sociedad. Uno de los grandes problemas de la humanidad es su dependencia de los combustibles fósiles, ya que provocan un fuerte impacto ambiental además de diversos cambios en el ámbito económico. El reto está en conseguir que las energías alternativas y renovables vayan sustituyendo paulatinamente a los combustibles fósiles tradicionales. La principal ventaja de las energías renovables es la de su menor impacto ambiental, ya que, reducen el número de contaminantes a la atmósfera, además de su distribución territorial menos concentrada. Son fuente de energía continua e inagotable, por lo que son la alternativa del futuro. Se trata de energías limpias, que se pueden utilizar de forma autogestionada, ya que permiten ser aprovechadas en el mismo lugar donde se producen. La energía solar eléctrica o fotovoltaica, es una energía limpia y renovable, de fácil instalación y mantenimiento. Aunque la energía solar fotovoltaica sólo representa un porciento pequeño del suministro de energía eléctrica que satisface las necesidades de consumo en todo el mundo, se prevé un rápido y significativo crecimiento de su implantación, basado en el actual desarrollo de la tecnología y el compromiso medioambiental de los países más desarrollados.. Pedro luis rivero yera. 1.

(13) Aunque tradicionalmente el uso de la energía solar fotovoltaica ha sido en aplicaciones aisladas de la red eléctrica, desde hace unos años la incorporación de esta tecnología al entorno urbano está facilitando su difusión y desarrollo. Es necesario tener en cuenta que la generación eléctrica fotovoltaica es la única que puede producir, a partir de una fuente renovable, electricidad allí donde se consume. En el presente trabajo se aborda este tipo de generación distribuida, pero evaluando su inserción dentro de la red eléctrica de distribución territorial, lugar en que es posible aprovechar sus virtudes de energía limpia con su relativa facilidad de instalación y lo más próxima al consumo, lo cual conduce al siguiente Problema Científico:  ¿Dónde conectar los paneles o parques fotovoltaicos de Cantarrana y el nuevo proyecto del Cárnico dentro de la red de 34,5 kV en la provincia de Cienfuegos, para obtener menores pérdidas de energía? Dicho problema condiciona el objeto:  Reconfiguración de la red eléctrica de 34,5 kV en la provincia de Cienfuegos para la conexión de los parques fotovoltaicos de Cantarrana y Cárnico. Abriendo el Campo de Acción de la investigación a:  Parte de la red de 34,5 kV de Cienfuegos más comprometida según la ubicación de los parques fotovoltaicos de Cantarrana y Cárnico. En correspondencia con el problema y el objeto de estudio se determinó como Objetivo General de la investigación:  Proponer la conexión de los parques fotovoltaicos de Cantarrana y el nuevo proyecto del Cárnico, para lograr una incidencia positiva en la operación de la red de 34,5 kV en la provincia de Cienfuegos. Para el logro del objetivo general de este trabajo se trazaron las siguientes metas:. Pedro luis rivero yera. 2.

(14) Objetivos específicos:  Mostrar los principales fundamentos teóricos que sustentan la generación fotovoltaica y su conveniente inserción en los sistemas eléctricos en la actualidad.  Diagnosticar el estado actual de la parte de la red de 34,5 kV de la provincia de Cienfuegos más comprometida con la ubicación de los Paneles o Parques Fotovoltaicos.  Reconfigurar parte de la red de 34,5 kV de Cienfuegos para la conexión de los Parques Fotovoltaicos de Cantarrana y el Cárnico.  Valorar las propuestas realizadas a corto y mediano plazo. Para cumplimentar estos objetivos, el trabajo consta de tres capítulos. En el Capítulo I se expone una descripción de los aspectos relacionados con la generación eléctrica mediante energías renovables, particularmente de los Sistemas Fotovoltaicos conectados a la red eléctrica. En el Capítulo II se realiza el estudio y estado actual de los PSFV de Cantarrana y el nuevo Proyecto el Cárnico, así como la red eléctrica posible a reconfigurar para su mejor conexión al SEN. Se analizan las variantes técnicas más eficientes para dicha conexión, utilizando herramientas como el software Radial, Excel y además datos, normativas y sistemas utilizados por la UNE y la OBE de la provincia de Cienfuegos. El Capítulo III aborda los beneficios, factibilidad y análisis económico de las propuestas de inserción de los PSFV a la red de 34,5 kV de la provincia de Cienfuegos. En las conclusiones se toma partido sobre los aspectos fundamentales desarrollados en el trabajo y en las recomendaciones se emiten criterios para tareas futuras al respecto.. Pedro luis rivero yera. 3.

(15) Capítulo I.

(16) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. CAPÍTULO I. Energías renovables. Sistemas fotovoltaicos.. 1.1 Introducción En la actualidad se realizan numerosos estudios para la utilización de fuentes alternativas de energía utilizando recursos renovables del medio ambiente; dichos ejercicios están siendo impulsados cada vez más por la mayoría de los países industrializados, en función de la incesante lucha por la protección del medio ambiente y ante el impostergable agotamiento de las fuentes tradicionales de combustible, hecho que cada día se percibe más cercano. Se está llegando al momento en el que la solución de las necesidades energéticas de la humanidad están obligando a un progreso acelerado de exploración de nuevas fuentes de energía, lo que ha propiciado un avance tecnológico en los últimos años y se ha promovido el desarrollo de nuevos equipos que permiten el aprovechamiento de la energía irradiada por el Sol sobre la superficie terrestre [1].. 1.2 Fuentes de energías renovables Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables (figura 1.1) se encuentran la hidráulica, eólica, solar, geotérmica y la biomasa [18.20].. Figura 1.1: Energías Renovables.. Pedro luis rivero yera. 4.

(17) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS Energía Hidráulica El prefijo hidro viene de la palabra griega usada para designar el agua y se aplica a ríos y océanos. El trabajo de normalización de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC de sus siglas en inglés), abarca proyectos fluviales en pequeña y gran escala, mientras que la energía oceánica es relativamente más nueva para nuestro país. En efecto, se ha comenzado a considerarla no hace mucho debido a la latente necesidad de normas que presenta (la mayor parte del mercado en este campo aún se encuentra en la fase de investigación y desarrollo) [18]. Las plantas hidroeléctricas (figura1.2) aprovechan la energía potencial del agua o la cinética para mover las turbinas y generadores que producen la electricidad. En forma general, el agua que fluye y cae a través de las cortinas de las presas y saltos de agua se lleva por conductos para hacer girar las aspas de las turbinas, las que a su vez hacen girar los generadores [4,18].. Figura 1.2: Planta Hidroeléctrica.. Energía Eólica Se encuentran en uso en el país 5 883 dispositivos que utilizan la energía eólica (figura 1.3), de los cuales más del 99% son molinos de viento, utilizados fundamentalmente en la extracción de agua para sustituir motobombas que consumen combustible diesel o electricidad [17,19].. Pedro luis rivero yera. 5.

(18) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS Se encuentran en funcionamiento tres parques eólicos en los territorios de Ciego de Ávila, Holguín e Isla de la Juventud, estando los mismos interconectados al Sistema Electroenergético Nacional desde inicios del año 2008. Se continúan los estudios en las zonas de mayor potencial eólico del país para la instalación de nuevos dispositivos y la recuperación de los que no se encuentran en uso [17].. Figura 1.3: Aerogenerador.. Biomasa Se considera incluida en esta categoría toda materia vegetal creada por la fotosíntesis y toda materia orgánica contenida en los residuos animales, industriales o domésticos. Está subdividida en tres grandes grupos [7,17]: • Dentro combustibles: Son biocombustibles de la madera, ya sean obtenidos de forma directa como la leña y residuos forestales o indirectamente como el serrín. • Agro combustibles: Integran este grupo los subproductos agroindustriales tales como: el bagazo y la paja de caña, la cáscara de arroz, los desechos del café, del coco y otros. Pedro luis rivero yera. 6.

(19) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS desechos forestales y los subproductos animales u otros que de estos se obtengan y que se empleen con fines energéticos, entre los que se destacan el biogás y el estiércol animal. • Residuos urbanos: Son los residuos sólidos o líquidos generados en poblados o ciudades que se puedan usar como combustibles. Los digestores o plantas de biogás son cualquier sistema capaz de producir gas combustible mediante la fermentación anaerobia de biomasa. Los digestores de biogás no emplean dispositivos mecánicos. Energía Solar Es la energía obtenida de la radiación solar. Para aprovechar este tipo de energía, se dispone de dos vías: la conversión térmica y la conversión fotovoltaica. Con estos fines se usan los sistemas de calentadores solares, sistemas de paneles o parques fotovoltaicos, destiladores solares, etc. [3,10].. 1.3 Sistemas Fotovoltaicos Un sistema fotovoltaico es aquel que transforma la energía de la radiación solar en energía eléctrica, mediante paneles captadores de los rayos solares que contienen en su superficie elementos semiconductores, que realizan esta transformación [10,17]. Los resultados de este proyecto darán una visión de la aplicabilidad de las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red, desde las dos perspectivas más relevantes: la técnica y la económica.. 1.3.1 Potencial de la Energía Solar El conocimiento del recurso disponible que se considera existente en un punto geográfico es el inicio para cualquier análisis en donde se tenga planeado construir un centro de transformación de algún tipo de energía a energía eléctrica. Inicialmente se debe comprender que la radiación solar, es la correspondiente a la emitida por el Sol y la parte de esta radiación que recibe la Tierra es reducida por la atmósfera. En el camino hacia la superficie terrestre se refleja cierta parte de la radiación por las nubes y otra. Pedro luis rivero yera. 7.

(20) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS parte es absorbida por la atmósfera. Otra parte de la radiación solar directa se dispersa debido a las capas densas de la atmósfera y de las nubes: se crea la radiación difusa, de la cual también el suelo refleja cierta parte de la radiación. Toda esta explicación se puede observar en la figura 1.4 y figura 1.5 [13,21].. Figura 1.4: Influencia de la atmósfera sobre la radiación solar.. Figura 1.5: Influencia de la atmósfera sobre la radiación solar.. Pedro luis rivero yera. 8.

(21) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS La suma de la radiación solar difusa y la directa que alcanza la superficie terrestre es llamada radiación global.. 1.4 Irradiación solar en la superficie terrestre El significado físico del fenómeno antes explicado es llamado irradiación solar, la cual representa la potencia que se recibe de la radiación del Sol sobre la Tierra por unidad de superficie en cualquiera de sus puntos y a cualquier altitud, sus unidades en el Sistema Internacional de Unidades son [W/m²] [21]. En la figura 1.6 se muestra a modo de ejemplo, la irradiación solar real tomada cada 15 minutos y la irradiación solar promedio equivalente al mismo día de medición.. Figura 1.6: Comparación de la irradiación solar real tomada cada 15 minutos y la irradiación solar promedio equivalente al mismo día de medición.. 1.4.1 Tipo de montaje de los sistemas fotovoltaicos (FV) Para poder dimensionar de manera correcta un sistema de generación de electricidad es esencial conocer el sitio en donde se ubicará la instalación, sus particularidades y dependiendo de la aplicación requerida será necesario conocer ciertos parámetros iniciales.. Pedro luis rivero yera. 9.

(22) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS Existen muchas configuraciones que se han concebido a fin de adaptarse a la aplicación específica en el lugar disponible para la ubicación de un proyecto fotovoltaico, pero son tres configuraciones las más difundidas:  Montaje en suelo (ejemplo en figura1.7)  Montaje en fachada(ejemplo en figura1.8)  Montaje en techo (ejemplo en figura1.9). Figura 1.7: Montaje en suelo.. Figura 1.8: Montaje en fachada.. Pedro luis rivero yera. 10.

(23) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 1.9: Montaje en techo.. Las instalaciones fotovoltaicas se caracterizan por:  Su simplicidad y fácil instalación,  Ser modulares,  Tener una larga duración (la vida útil de los módulos fotovoltaicos es superior a 30 años),  No requerir apenas mantenimiento,  Tener una elevada fiabilidad,  No producir ningún tipo de contaminación ambiental,  Tener un funcionamiento totalmente silencioso.. Pedro luis rivero yera. 11.

(24) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS Para su caracterización, los módulos se miden en unas condiciones determinadas 2. 2. denominadas condiciones estándar: 1.000 W/m (1 kW/m ) de radiación solar y. 25 ºC de. temperatura de las células fotovoltaicas. La máxima potencia generada en estas condiciones por cada módulo fotovoltaico se mide en W p (watt pico); a esta potencia se la denomina potencia nominal del módulo. La energía producida por los sistemas fotovoltaicos es el resultado de multiplicar su potencia nominal por el número de horas pico, dado que no todas las horas de Sol son de la 2. intensidad considerada como pico, es decir 1.000 W/m . El número de horas pico de un día 2. concreto se obtendrá dividiendo toda la energía producida en ese día (en W.h/m ) entre 2. 1.000 W/m [18].. 1.4.2 Tecnología de las instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica Existen dos formas de utilizar la energía eléctrica generada a partir del efecto fotovoltaico. Primeramente encontramos instalaciones aisladas de la red eléctrica, que son sistemas en las que la energía generada se almacena en baterías para poder disponer de su uso cuando sea preciso. Estos sistemas se emplean sobre todo en aquellos lugares en los que no se tiene acceso a la red eléctrica y resulta más económico instalar un sistema fotovoltaico que tender una línea entre la red y el punto de consumo. En segundo lugar, encontramos las instalaciones conectadas a la red eléctrica convencional, en las que toda la energía generada se envía a la red eléctrica convencional para su distribución donde sea demandada. Debido a que las instalaciones fotovoltaicas que se analizan en el presente proyecto corresponden a esta segunda tipología, en adelante se presentaran en detalle los sistemas conectados a la red eléctrica [16].. 1.4.3 Descripción de los sistemas conectados a la red eléctrica Para poder llevar a cabo estas instalaciones, primeramente se deberá contar con la existencia de una línea de distribución eléctrica cercana con capacidad para admitir la energía producida por la instalación fotovoltaica. En los lugares en los que se dispone de. Pedro luis rivero yera. 12.

(25) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS electricidad, la conexión a red de los sistemas fotovoltaicos contribuye a la reducción de emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera [12.16]. En las instalaciones conectadas a red, el tamaño de la instalación es relativamente independiente del consumo de electricidad del lugar de ubicación, lo que simplifica en gran medida su diseño. Para dimensionar la instalación habrá que tener en cuenta la inversión inicial y el espacio disponible así como la rentabilidad que se desea alcanzar con la venta de la electricidad generada. El carácter modular de la tecnología fotovoltaica permite, al contrario de la mayoría de las fuentes convencionales, un costo unitario y una eficiencia independiente del tamaño o la escala de la instalación; por ello los pequeños sistemas presentan un gran interés para la producción de energía descentralizada. Al generar en el mismo punto en que se produce el consumo, se eliminan las pérdidas en la transmisión y distribución de la energía eléctrica [6].. 1.4.4 Conexión de los sistemas a la red eléctrica ¿Cómo se conecta un sistema fotovoltaico a la red eléctrica? ¿Qué aparatos se necesitan? Las respuestas a estas interrogantes se pueden observar en la figura1.10.. Figura: 1.10 Componentes principales de un sistema de conexión a red.. Pedro luis rivero yera. 13.

(26) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS En primer lugar, para generar electricidad solar fotovoltaica se necesitan un conjunto de módulos conectados entre sí. En segundo lugar, para transformar la electricidad producida por un panel solar fotovoltaico (corriente continua) en electricidad con las mismas características que la red convencional (corriente alterna a frecuencia de 60 Hz), se necesita un inversor. Existen diferentes tipos de inversores, es recomendable escogerlo en función del tamaño de la instalación. La potencia del inversor suele ser entre un 10% y un 20% menor que la suma de las potencias de todos los módulos fotovoltaicos que constituyen la instalación. La potencia del inversor es la que se toma como potencia nominal de la instalación. El inversor se instala entre el generador fotovoltaico y el punto de conexión a la red. Una vez la electricidad solar ha sido transformada por el inversor, toda la energía producida se inyecta a la red, con las ventajas económicas y medioambientales que esto supone [11]. El generador fotovoltaico necesita dos contadores ubicados entre el inversor y la red; uno para cuantificar la energía que se genera e inyecta en la red, para su posterior remuneración, y otro para cuantificar el pequeño consumo del inversor fotovoltaico en ausencia de radiación solar, así como garantía para la empresa eléctrica de posibles consumos que la instalación pudiera hacer. El suministro de electricidad local se realizaría desde la red eléctrica, con su propio contador, siendo una instalación totalmente independiente y en paralelo con la instalación fotovoltaica. Con sistemas conectados a la red toda la energía producida se vierte a la red eléctrica, independientemente del consumo que tengan los consumidores más cercanos, ya que este consumo se realiza a través de la conexión convencional que se tenía antes de la instalación de los paneles. En estos casos el usuario no percibe ningún cambio en el servicio eléctrico que recibe, manteniendo las mismas ventajas (seguridad de suministro) e inconvenientes (riesgo de eventuales cortes de luz), pero sabiendo que cada kW que produzca con los módulos fotovoltaicos es uno menos que se genera en las centrales convencionales (térmicas o nucleares) [2].. Pedro luis rivero yera. 14.

(27) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. 1.5 Características fundamentales de los Paneles o Parques Solares Fotovoltaico (PSFV) ¿Funciona una instalación fotovoltaica todo el año? Los módulos fotovoltaicos generan electricidad durante todo el año, siempre y cuando les llegue radiación solar. Normalmente en verano se genera más electricidad debido al mayor número de horas de Sol, aunque la inclinación de los módulos también es importante. En los días nublados también se genera electricidad, aunque la producción se reduce proporcionalmente a la disminución de la intensidad de la radiación solar. Incluso existen células fotovoltaicas diseñadas para funcionar en el interior de edificios como las que incorporan algunas calculadoras y distintos aparatos. Los sistemas fotovoltaicos generan electricidad a partir de la radiación solar, no del calor. Por lo tanto, el frío no representa ningún problema para el aprovechamiento fotovoltaico. De hecho, como la mayoría de los dispositivos electrónicos, los módulos fotovoltaicos funcionan más eficientemente cuando hace más frío (dentro de unos límites) [18]. ¿Cuál es el mantenimiento de una instalación fotovoltaica? El mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red es mínimo y de carácter preventivo; no tiene partes móviles sometidas a desgaste, ni requiere cambio de piezas ni lubricación. En todo caso, se considera recomendable realizar revisiones periódicas de las instalaciones, para asegurar que todos los componentes funcionan correctamente. Dos aspectos a tener en cuenta son, por un lado, asegurar que ningún obstáculo haga sombra sobre los módulos y, por el otro, mantener limpios los módulos fotovoltaicos [18]. ¿Cuál es la vida de una instalación fotovoltaica? El módulo fotovoltaico se estima que tiene una vida útil superior a 30 años, siendo la parte más fiable de la instalación. La experiencia indica que los paneles nunca dejan de producir electricidad, aunque su rendimiento pueda disminuir ligeramente con el tiempo. Las instalaciones más antiguas, de los años 60-70, aún están operativas. De hecho, a menudo se encuentran en el mercado módulos con garantías de 10, 15 y 20 años. En general se trata. Pedro luis rivero yera. 15.

(28) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS de equipos fabricados para resistir todas las inclemencias del tiempo, además las células están hechas de silicio, que es duro como una piedra [18].. 1.6 Crecimiento Global En la actualidad la energía solar fotovoltaica se ha convertido en una de las energías renovables de mayor crecimiento y con expectativas muy altas de seguir avanzando. Un ejemplo de estos avances lo podemos observar en la figura 1.11 donde se muestra el crecimiento del mercado fotovoltaico [8].. Figura1.11: Crecimiento anual de potencia.. Dichos avances están estrechamente relacionados con la disminución en los precios de esta tecnología. El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía de Estados Unidos, ha estudiado la tendencia en precios del sector fotovoltaico, y el precio por vatio de la tecnología, sin contar su instalación, de los 22 dólares en 1980 a menos de 3 dólares en el 2009 y en la actualidad el precio sigue en descenso como se puede ver en la figura 1.12 [14].. Pedro luis rivero yera. 16.

(29) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 1.12: Costo de Energía por vatio.. 1.7 La energía solar en Cuba Según el Nuevo Atlas de Cuba (1989) en la formación de las características del clima de Cuba es determinante la cantidad de radiación solar que incide sobre su superficie. La marcha anual de la radiación solar muestra máximos en Abril y Julio con valores del orden -2. -2. de los 20 MJ.m y mínima en Diciembre y Enero con valores inferiores a los 12 MJ.m . El régimen de radiación solar presenta variaciones espaciales relacionadas fundamentalmente con factores orográficos, por lo que se encuentran máximos en las zonas costeras con -2. promedios diarios anuales superiores a los 16,6 MJ.m y mínimos en las zonas de las alturas -2. y montañas inferiores a los 15,6 MJ.m . La insolación alcanza una suma anual de 2900 horas-luz en las costas, mientras que en las montañas adquiere valores inferiores a los 2500 [2,9]. Dada la experiencia y mediciones de especialistas la radiación solar promedio en Cuba en la figura 1.13, se puede observar la incidencia sobre la superficie de nuestro país. En este mapa se corrobora que las instalaciones fotovoltaicas son válidas en la inmensa mayoría del territorio nacional. La radiación solar anual de Cuba es de unos 1 825 kW.h/m2/año, y se caracteriza por una buena presencia de esta radiación en todo el país; para más del 90 % del territorio nacional la radiación solar es del orden de más de 5 kW.h/m2/día [5].. Pedro luis rivero yera. 17.

(30) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura: 1.13: Mapa de radiación solar promedio en Cuba.. Las posibilidades de la producción de energía eléctrica mediante paneles solares en el territorio nacional cubano, se muestra en la figura 1.14.. Figura: 1.14 Producción de energía eléctrica mediante paneles solares en Cuba.. Pedro luis rivero yera. 18.

(31) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Conclusiones parciales Mediante la búsqueda bibliográfica realizada en este capítulo se llega a las siguientes conclusiones:  Las Energías Renovables constituyen una alternativa para satisfacer el crecimiento de la demanda energética dado el agotamiento de los combustibles fósiles.  Los Sistemas Fotovoltaicos se pueden dividir en dos grupos fundamentales: sistemas conectados a la red y sistemas no conectados la red o sistemas aislados.  Tanto en Cuba como en el mundo la instalación de sistemas fotovoltaicos conectados a la red mantiene un desarrollo creciente, dadas las ventajas que brindan estas instalaciones y la disminución considerable de los precios en los últimos años.  Las instalaciones fotovoltaicas son válidas en la inmensa mayoría del territorio nacional cubano.. Pedro luis rivero yera. 19.

(32) Capítulo II.

(33) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. CAPÍTULO II. Análisis técnico de la conexión de los PSFV Cantarrana y el nuevo Proyecto el Cárnico a la red de 34,5 kV. La parte de la red de 34,5 kV de la provincia de Cienfuegos que de acuerdo a la situación geográfica (como se muestra más adelante), se verá más comprometida con la conexión de las instalaciones fotovoltaicas de Cantarrana y el nuevo proyecto próximo al combinado Cárnico, tiene como nodo inicial, la subestación de 110 kV situada en la Termoeléctrica Carlos Manuel de Céspedes (CMC), cuya barra de salida a 34,5 kV (llamada barra 33 kV CMC) se describe a continuación.. 2.1 Barra 33 kV CMC La subestación de CMC 110/34,5 kV (figura 2.1) es una de las más importantes de la provincia. Desde ella parte la alimentación a 34,5 kV para los municipios de Cienfuegos, Cumanayagua, Palmira y Rodas. Esta subestación cuenta con dos transformadores de 25 MVA de tecnología checa, no tropicalizados, por lo que su capacidad se reajusta a 22 MVA. Cada uno de ellos alimenta a una barra de 34,5 kV las cuales se interconectan con un interruptor de enlace. Desde las barras parten 6 líneas de subtransmisión a través de los interruptores 1610, 1615, 1620, 1635, 1640 y 1645. El interruptor 1620 es el encargado de mantener energizada la barra auxiliar. Los niveles de cortocircuito de esta barra. se. encuentran en el orden de los 2079 MVA trifásicos y los 2532 MVA monofásicos para máxima, así como 1460 MVA trifásicos y 1858 MVA monofásicos para mínima.. Pedro luis rivero yera. 20.

(34) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 2.1: Esquema monolineal de la barra 33 kV CMC.. A continuación se describen brevemente cada uno de los circuitos de salida a 34,5 kV asociados a cada interruptor e identificado con su número en ambas sesiones de barra de la subestación.. 2.1.1 Alimentador 1645 La extensión total del circuito asociado al interruptor 1635 (ver figura 2.2) es de 13,806 km, 6,865 km forman el tronco y 6,941 km pertenecen a ramales y subramales. Este circuito presta servicio a 26 subestaciones que conforman la Zona Industrial # 2 de Cienfuegos. El circuito está conformado de la siguiente forma, presenta un conductor cobre Cu # 1/0 hasta el primer ramal, el cual tiene un conductor cobre Cu # 2 y alimenta el Puerto, el Almacén TMI, Torre de Pesaje TM2 y el Frigorífico. Continúa desde ahí con un conductor. Pedro luis rivero yera. 21.

(35) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS cobre Cu # 2 de 429 m hasta el siguiente ramal, el que alimenta los Molinos de Trigo y de Maíz así como las dos subestaciones del Puerto Pesquero, su conductor es cobre Cu # 2. A este tramo le siguen 215 m aproximadamente de cobre Cu # 2 que alimenta la Fábrica de Harina Proteica por un conductor de 384 m cobre Cu # 2 y a Fertilizantes por uno de 1154 m de cobre Cu # 2. En este tramo se alimentan pequeñas industrias como la Trituradora de Plásticos, Centro de Elaboración y almacenes. Luego sale hacia las subestaciones de Riego por Aspersión (Plastimec), así como Reparaciones Capitales (SOMEC) por un ramal de 2201 m del mismo calibre. El último consumidor es la subestación Bolívar, la cual le brinda servicio a las Petrocasas.. Pedro luis rivero yera. 22.

(36) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 2.2: Monolineal del alimentador 1645.. 2.1.2 Alimentador 1640 Su circuito tiene una extensión total de aproximadamente 38,305 km, 27,19 km pertenecen al tronco y 11,115 km a los ramales y subramales. Este circuito alimenta 15 subestaciones y enlaza con las líneas 1635 a través del interruptor en aire 213 y con el 1880 de Juraguá. Pedro luis rivero yera. 23.

(37) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS 34,5 kV a través del interruptor en aire 219, ver en el monolineal de la figura 2.3, además alimenta los municipios Cienfuegos, Rodas y Abreu.. Figura 2.3. Monolineal del alimentador 1640.. Pedro luis rivero yera. 24.

(38) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS El municipio de Cienfuegos cuenta con 8,18 km de tronco y 7,826 km de ramales. El calibre que predomina es el de cobre Cu # 3/0. Las cargas principales son ATM, Perlazúcar y la Base de Apoyo de la Refinería. El municipio de Rodas cuenta con 14,439 km de tronco y 3,259 km de ramales. El calibre predominante es el ACSR 150 mm² y las cargas principales en esta sección de la línea son Portilla, Ariza, Potabilizadora y el CAI 14 de Julio. El municipio de Abreu cuenta con 4,571 km de tronco y 30 m de ramales. El calibre predominante es el cobre Cu # 2 y la carga principal es el bombeo de la presa Damují.. 2.1.3 Alimentador 1635 Su extensión total es del orden de los 36,94 km, 30,60 km en el tronco y 6,34 km de ramales. En su recorrido alimenta 27 subestaciones y permite el enlace con la línea del interruptor 1435 de la subestación de Cruces 34,5 kV, mediante el interruptor en aire 6558 normalmente abierto, lo que se puede observar en la figura 2.4. La primera sección del tronco de este circuito está conformado por conductores de calibre ACSR 150 mm2 y una distancia de 4,2 km. Desde aquí se alimenta el ramal que brinda la conexión actual al PSFV de Cantarrana, con un calibre ACSR 150 mm2 y una distancia de 1,38 km. El tronco continúa para la zona de Palmira con 7,29 km hasta el interruptor en aire 6558 con calibre ACSR 70 mm2 de aluminio, a este están conectadas las subestaciones Porcino y Palmira. El otro tronco de la línea parte hacia la subestación Portugalete con una distancia de 5,596 km y un calibre de cobre Cu # 2, en esta sección de tronco se encuentra el ramal que alimenta a la subestación Combinado Cárnico con un calibre de ACSR 70 mm 2 y una distancia de 838 m; al final de este ramal se está ejecutando el montaje del nuevo PSFV Cárnico con 3 MWp de potencia. En la subestación Portugalete se encuentra conectada la subestación del CAI Elpidio Gómez. Esta línea también posee enlace con el 1640 a través del interruptor en aire 213 en la subestación de Ariza y con el 1435 por el interruptor en aire 6812 en la zona de Arriete.. Pedro luis rivero yera. 25.

(39) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 2.4: Monolineal del alimentador 1635.. Pedro luis rivero yera. 26.

(40) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. 2.1.4 Alimentador 1610 Este circuito posee una extensión de 18,877 km, 14,397 km de tronco y 4,48 km de ramales. Alimenta a todas las subestaciones dentro de la ciudad de Cienfuegos, tales como San Lázaro, Reina, Plaza y Cienfuegos 4,16 kV, ver figura 2.5. La primera sección del tronco (3,73 km) está compuesta por un conductor de calibre cobre Cu # 3/0, solo al principio tiene 210 m de cobre Cu # 4/0. El resto del tronco es de cobre Cu # 2. A través de esta línea se inyecta la generación de la batería diesel de Junco Sur de 15 MW. Esta línea también brinda alimentación a la zona de turismo de Rancho Luna.. 2.1.5 Alimentador 1615 La extensión total de este circuito es de 70,34 km, perteneciendo 32,2 km al tronco y 38,15 km a ramales y sub ramales. El mismo presta servicios a 27 subestaciones ver figura 2.5. El tronco de este circuito está conformado de la siguiente forma, presenta un primer tramo con calibres 3/0 y 1/0 de cobre que enlaza con la SE Cienfuegos 4,16 kV, desde el mismo recibe alimentación un pequeño ramal de 100 m hasta la sub San Lázaro y otro ramal que alimenta la Zona Industrial # 1 de Cienfuegos, en donde se encuentran las subestaciones Glucosa, Fábrica de Hielo, Fábrica de Refresco, Cerámica Roja, I.M.S, Baldosa y Motores Diesel; este está compuesto por distintos calibres como son 3/0 y # 4 de cobre, así como 70 mm2 de aluminio. El tronco continúa hasta el final de su recorrido con un calibre ACSR 150 mm2, alimentando las subestaciones Acueducto, Caonao 13,8 kV, Aeropuerto y Pepito Tey. Desde Pepito Tey parte el ramal de la montaña, el cual le brinda servicio a la sub Arimao con un Grupo Electrógeno Aislado (GEA), La Sierra y San Blas. En esta última se encuentra la minihidroeléctrica San Blas con un aporte de 2 MW para el Sistema Electroenergético Nacional. El otro ramal que parte hacia la zona de Cumanayagua enlaza con la línea 333 y brinda servicio a las subestaciones del bombeo de la Fábrica de Cemento Carlos Marx, al Molino de Piedra y al bombeo de Arimao.. Pedro luis rivero yera. 27.

(41) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 2.5: Monolineal del alimentador 1610 y 1615.. Pedro luis rivero yera. 28.

(42) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. 2.1.6 Alimentador 1620 La línea asociada al interruptor 1620 (ver figura 2.6) es la línea de 110 kV que alimentaba a la antigua subestación de Fertilizantes, la cual está desmantelada, energizada actualmente a 34,5 kV. El doble circuito de 9,731 km mantiene energizada las barras de la subestación Fertilizantes y posee un enlace con la línea del 1645, a través del interruptor en aire 6810, para darle respaldo de alimentación a la misma en caso de averías. El calibre que posee es el cobre Cu # 3/0.. Figura 2.6: Monolineal del alimentador 1620.. Pedro luis rivero yera. 29.

(43) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. 2.2 Análisis de área y circuitos implicados en las propuestas de conexión para los PSFV Cantarrana y nuevo proyecto del Cárnico En la figura 2.7 se muestra, que dada la ubicación geográfica del nuevo proyecto fotovoltaico Cárnico este debe ser conectado al 1635, y el PSFV existente en Cantarrana conectado actualmente al 1635, se puede valorar conectarlo (con la construcción de una línea) al alimentador 1640 y utilizar el 1635 para el nuevo PSFV, desde este punto de vista, el estudio de variantes se centra en dichos alimentadores.. Figura 2.7: Localización geográfica real del PSFV Cantarrana y el nuevo proyecto del Cárnico. Además de lo antes expuesto en cuanto a ubicación geográfica y con la consiguiente factibilidad de conexión por cercanía física, se realiza un estudio de potencia y pérdidas con la ayuda del programa Radial (versión 10.0), el cual facilita el estudio y la comprensión de los resultados actuales y esperados en años futuros.. Pedro luis rivero yera. 30.

(44) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. 2.2.1 Estudio de flujo de potencia en las variantes de conexión de los PSFV Primeramente se decidió estudiar el comportamiento de la barra CMC con todos sus alimentadores conectados, para verificar el comportamiento del flujo en el año uno, donde la potencia de entrega de ambos PSFV es máxima y mínimo crecimiento de las cargas de los alimentadores.. 2.2.2 Introducción de datos necesarios al programa Radial Un aspecto importante a tener en cuenta es la obtención de un gráfico de potencia entregada por los PSFV, que se implementa como carga negativa en su introducción al Radial. Desde años anteriores y hasta la realización de este trabajo, se declaran entre 1400 a 1500 horas equivalentes (Heq) anuales en el funcionamiento de estas instalaciones fotovoltaicas, como una indicación implementada por INEL y la dirección de la UNE a nivel nacional, pero al carecer de la justificación en tal sentido; se realiza un estudio de potencia entregada (kW) por el PSFV de Cantarrana, tomadas las lecturas durante varios meses del año actual, para verificar las horas equivalentes estimadas; una muestra de lo obtenido se ofrece en la tabla 2.1, además se pueden consultar más datos al respecto en el Anexo 1. Los resultados corroboran que dichas horas equivalentes están en el entorno de las 1500 horas. Con todo esto como base se estima el gráfico de carga de los PSFV.. Pedro luis rivero yera. 31.

(45) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS Tabla 2.1: Comportamiento de PSFV Cantarrana 2 para el mes de marzo 2015.. Además como se dijo anteriormente, se representan los PSFV como cargas negativas para poder conectarlos a través de su transformador de enlace, dado que los mismos generan a un voltaje distinto al de la red, también se le atribuye un decrecimiento del 0.8% anual fijado por el fabricante. Los datos reales de las cargas y transformadores, así como su pronóstico de crecimiento, se tomaron a partir de los datos aportados por el despacho eléctrico de la provincia.. Pedro luis rivero yera. 32.

(46) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS Los datos suministrados y los resultados extraídos son para un día típico del año, por eso es necesario extrapolar todos los resultados al año, para poder realizar el estudio técnicoeconómico. De dicho estudio se obtuvo que el flujo de potencia en los alimentadores involucrados no tenía retorno hacia la barra 33 kV CMC, lo cual lleva a no incluir los demás alimentadores y apoya la decisión de trabajar con los de la problemática existente, o sea, el 1635 y 1640. Para completar esta tarea se tomaron todas las lecturas de potencia (kW) y energía (kW.h) de ambos alimentadores, una representación de las mismas para el alimentador 1640, se puede observar en la tabla 2.2, con la energía anual y la potencia máxima se obtienen las horas equivalentes de carga anuales, convirtiéndolo en días equivalentes de carga y de pérdidas.. Pedro luis rivero yera. 33.

(47) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Tabla 2.2: Comportamiento del alimentador 1640 (potencia kW).. 2.3 Presentación y cálculo de las variantes Se representaron los dos alimentadores en un fichero único en el Radial (figura 2.8), así como la introducción de los PSFV con sus interruptores, lo que posibilita el cambio para las posibles variantes a valorar. Primero se abren los interruptores del PSFV Cárnico y el PSFV Cantarrana del alimentador 1640, la cual es la representación actual, o sea Cantarrana conectado al 1635 y el Cárnico sin incluir. Se realizan todas las corridas hasta 25 años para extraer los valores manualmente e introducirlos en una tabla en Excel, para realizar las extrapolaciones y cálculos necesarios, que permitan observar los resultados y compararlos con las variantes a escoger (ver Anexo 2).. Pedro luis rivero yera. 34.

(48) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 2.8: Esquema del fichero resultante del Radial con la unión de los dos alimentadores.. Pedro luis rivero yera. 35.

(49) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS Para la comprensión de las variantes se decide centrarse en las pérdidas de energía en líneas y no en las pérdidas en transformación, dado que la energía de las cargas y de los parques fotovoltaicos es igual en cada variante. Los resultados del estado actual para la variación de pérdidas de energía activa en las líneas (∆EaL) en un día del año, se pueden observar en la figura 2.9 y las pérdidas de energía en las líneas (EL) ya extrapolada para los años se refleja en la figura 2.10; además para ampliar la información utilizada se puede consultar el Anexo 2.. Figura 2.9: Variación de pérdidas de energía en línea para un día del año en estado actual (kW.h/día).. Figura 2.10: Pérdidas anuales de energía en línea en estado actual (MW.h Anual).. Pedro luis rivero yera. 36.

(50) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. 2.3.1 Análisis de las variantes Primera variante El PSFV del nuevo proyecto del Cárnico con un valor aproximado de 3 MW, dada su ubicación, se debe conectar al alimentador 1635 (Cienfuegos-Palmira) y dejar el PSFV Cantarrana, como en el estado actual, conectado a dicho alimentador, lo cual se puede observar en la figura 2.11 con su ubicación en detalle en todo el alimentador 1635 y en la figura 2.12 de forma más compacta, para facilitar su visualización con ambos alimentadores.. Pedro luis rivero yera. 37.

(51) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 2.11: Monolineal del alimentador 1635 para la primera variante.. Pedro luis rivero yera. 38.

(52) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 2.12: Ambos alimentadores reducidos en la primera variante.. Para esta variante, en el Radial se cierra el interruptor del PSFV Cárnico y se mantiene el PSFV Cantarrana cerrado en el 1635 y abierto en el 1640. Se realizan todas las corridas para 25 años posteriores y se extraen todos los datos mostrados en el programa de forma manual y se introducen en la tabla Excel, las variación de pérdidas de energía activa en las líneas (∆EaL) para un día del año se puede observar en el gráfico correspondiente a la figura 2.13 y las pérdidas de energía en las líneas (EL), ya extrapolada para los años se refleja en la figura 2.14; además para ampliar sobre la información utilizada se puede consultar el Anexo 3.. Pedro luis rivero yera. 39.

(53) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 2.13: Variación de pérdidas de energía en línea para un día del año en variante1 (kW.h/día).. Figura 2.14: Pérdidas de energía anual en líneas en variante1 (MW.h Anual).. Esta variante produce una disminución de pérdidas de energía en líneas respecto a la conexión actual (situación original), lo que se puede observar en la figura 2.15 como un. Pedro luis rivero yera. 40.

(54) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS crecimiento de la disminución en pérdidas con el transcurso de los años (ahorro), lo cual es beneficioso para la operación actual y futura de la red.. Figura 2.15: Ahorro en cuanto a pérdidas de energía en línea anuales entre la variante uno y la situación original.. Segunda Variante La segunda variante de conexión consiste en mantener el PSFV Cárnico al alimentador 1635 y el PSFV Cantarrana pasarlo al alimentador 1640 (ver figura 2.16).. Pedro luis rivero yera. 41.

(55) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 2.16: Esquema simplificado con nueva conexión del PSFV Cantarrana.. Se realiza la conexión en el circuito Radial de forma que el interruptor del PSFV Cárnico se mantiene cerrado, pero el interruptor del PSFV Cantarrana en el 1640 se cierra y se abre en el 1635. Se ejecutan las corridas para 25 años posteriores en el programa y la extracción manual de dichos resultados e incorporarlos a una tabla Excel para realizar la comparación, las variación de pérdidas de energía activa en las líneas para un día del año se puede observar en el gráfico correspondiente a la figura 2.17 y las pérdidas de energía en las líneas ya extrapoladas para los años se refleja en la figura 2.18, además la información utilizada sobre los resultados, se puede consultar el Anexo 4.. Pedro luis rivero yera. 42.

(56) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 2.17: Variación de pérdidas de energía en líneas para un día del año en variante 2 (kW.h /día).. Figura 2.18: Pérdidas de energía anuales en líneas variante 2 (MW.h Anual).. En esta variante también se obtiene una disminución de la pérdidas de energía en líneas respecto a la situación original (ver figura 2.19).. Pedro luis rivero yera. 43.

(57) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 2.19: Diferencia de pérdidas energía en líneas entre la variante dos y la situación original.. 2.4 Resultados Luego de comparar los resultados obtenidos en las variantes, se tiene que ambas ofrecen una reducción de pérdidas en líneas de los alimentadores, pero la segunda en una mayor magnitud (ver figura 2.20), para más información se puede observar en el anexo 5.. Figura 2.20: Comparación entre el ahorro anual de pérdidas en líneas de las dos variantes con respecto a la situación actual (MW.h).. Pedro luis rivero yera. 44.

(58) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Se puede expresar que la variante dos en comparación con la variante uno ahorra en el orden de 5 MW.h más al año, lo cual no es una cifra muy significativa, dado que para realizarla se necesita un proceso inversionista para la construcción de una línea. Es de señalar que en todas las variantes, incluyendo la original, los voltajes en los nodos se comportan de manera satisfactoria, por lo que no fue objetivo reflejarlos en el trabajo.. 2.5 Construcción de sección de línea de 34,5 kV para flexibilidad del esquema El PSFV Cantarrana posee una generación diaria promedio de 12 MW.h, por lo que resulta de gran beneficio garantizar que toda esta energía renovable producida de forma limpia sea incorporada al SEN. Se han presentado ocasiones en que la línea a la cual está conectado el PSFV ha estado en avería y toda la energía implicada en el tiempo de duración de la misma se ha quedado sin entregar e indirectamente se ha dejado de ahorrar una apreciable cantidad de combustible. Por ejemplo, hablemos de una avería ocurrida en el horario de máxima producción de energía con un tiempo de duración de aproximadamente 2 horas. La energía no suministrada sería de 4 MW.h y el petróleo dejado de ahorrar. sería de. aproximadamente 1 ton. Por otro lado, la generación ausente tiene que ser suministrada por los grupos de generación diesel, con su correspondiente consumo de combustible y efectos de contaminación, hasta que las condiciones del SEN sean las adecuadas para su desconexión. La generación del PSFV de Cantarrana también es usada como respaldo de energía en el caso de la salida de uno de los transformadores de la subestación CMC 110/34,5 kV. El esquema actual (figura 2.1) permite que, cuando está en esquema de vía libre el transformador T-12 y el T-11 está asumiendo la carga restante, la energía producida por los paneles sea inyectada directamente y ayude a mantener controlado el valor de carga del transformador, impidiendo de esta forma que no se entre generación diesel para respaldar este esquema anormal . En el caso de vía libre del T-11 se realiza la misma actividad, pero el número de manipulaciones para lograr el esquema de respaldo se hace mayor, por lo que puede traer un aumento del tiempo de afectación a los clientes.. Pedro luis rivero yera. 45.

(59) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS Debido a estas razones se propone la construcción de una sección de línea de 34,5 kV (figura 2.13) que partirá desde la línea del 1640 hasta el PSFV Cantarrana con una longitud de 2,311 km. Se montarán 2 interruptores adicionales los cuales permitirán el cambio de alimentación entre las dos líneas, manteniendo como posición normal el interruptor del 1635 en estado abierto por dar mejores condiciones económicas de reducción de pérdidas eléctricas por la línea del 1640, tal como dicen los resultados del Radial. Por las evaluaciones expuestas anteriormente se recomienda la ejecución de la variante dos, aunque su inversión inicial sea superior.. Conclusiones parciales En la realización del presente capítulo se describen las condiciones necesarias de la red para la instalación y simulación de parques solares fotovoltaicos, calculando las variantes expuestas, se llega a las siguientes conclusiones:  El programa Radial es una importante herramienta para poder realizar el análisis preciso de la variante más ventajosa desde el punto de vista técnico, acorde a los parámetros a tener en cuenta en el comportamiento de la parte de la red de 34,5 kV más comprometida con la conexión de dichos parques.  Se corrobora el impacto positivo de los PSFV conectados a la red dado la reducción de pérdidas en las líneas.  Luego de la comparación de los resultados, se declara más ventajosa la segunda variante, dado que ofrece una mayor reducción de pérdidas y a su vez una mayor flexibilidad de operación y fiabilidad al sistema.. Pedro luis rivero yera. 46.

(60) Capítulo III.

(61) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Capítulo III: Análisis económico financiero del estudio.. Con el objetivo de realizar un análisis técnico económico más completo de las variantes de reconfiguración de la red de 34,5 kV seleccionada para la conexión del PSFV existente en Cantarrana, así como la inserción del nuevo PSFV a entrar en explotación en el Cárnico, se realiza primeramente una descripción de las nuevas inversiones, de los cambios necesarios a realizar en las condiciones existentes y posteriormente una valoración integral de la propuesta, basada en las técnicas de evaluación de proyectos y los lineamientos y directivas de la UNE.. 3.1 Análisis del mercado para la potencia generada Teniendo en cuenta que el nuevo PSFV tendrá a lo sumo 3,0 MW de potencia y estará interconectado al Sistema Eléctrico Nacional, la presente inversión posee un mercado seguro que garantizará los beneficios esperados. Se observa además en las figuras 3.1 y 3.2, como el flujo de potencia en el mismo año 1 (donde la potencia de entrega por los PSFV es máxima y la demanda de las cargas es mínima en el período) no se invierte, o sea, parte desde el punto de entrega hacia las cargas situadas más adelante en los alimentadores, con este comportamiento se garantiza un mercado seguro para todo el período analizado.. Pedro luis rivero yera. 47.

(62) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Figura 3.1: Representación del flujo de potencia año uno en el PSFV Cárnico.. Figura 3.2: Representación del flujo de potencia año uno en el PSFV Cantarrana.. Pedro luis rivero yera. 48.

(63) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. 3.2 Influencia sobre el medio ambiente La ejecución de esta investigación tiene como objetivo evaluar las posibles conexiones del PSFV Cantarrana y nuevo proyecto del Cárnico, para incrementar las entregas de energía al Sistema Electroenergético Nacional (SEN) a partir de fuentes renovables, lo que permite reducir el consumo de combustibles fósiles, y por consiguiente disminuye la contaminación ambiental. El efecto positivo que supone la generación eléctrica con energía solar queda reflejado en primer término, en la eliminación de las emisiones gaseosas, en comparación con las producidas en centrales térmicas. Para el cálculo de la cantidad de emisiones de CO2 se tuvo en cuenta el factor de emisión utilizado por la Unión Nacional Eléctrica (UNE) con cierre año 2012, dato ofrecido por la Unidad Empresarial de Base (UEB) de Ingeniería Ambiental de INEL: 0,862 ton de CO2 por cada MW.h generado. El impacto considerado por el PSFV Cárnico en el presente estudio se refleja en la tabla 3.1 y se basa en el siguiente cálculo a partir de la ecuación 3.1:. GPS x Fe = ton CO2. (3.1). Dónde:. GPS: Generación anual de los parques solares (MW.h). Fe: Factor de emisión de CO2 por cada MW.h generado en el SEN. Tabla 3.1: Ahorro por años del período y disminución de emisiones del nuevo proyecto PSFV del Cárnico.. Pedro luis rivero yera. 49.

(64) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS Para el cálculo se utilizó la energía que se generará el último año del horizonte temporal en el que se evalúa el proyecto, por ser la cantidad más pequeña de energía generada por la incidencia del índice de pérdidas de eficiencia que presentan los paneles solares durante su vida útil, que es de un 20% en 25 años. Como se puede apreciar el programa de instalación de 3,0 MW en PSFV en el Cárnico de Palmira tiene un impacto positivo en el medio ambiente, ya que se dejarán. de emitir. anualmente valores superiores a las 10,1 toneladas de CO2.. 3.3 Análisis de las variantes de conexión En el capítulo anterior se describen las dos posibles variantes a escoger desde el punto de vista técnico. Para la realización del análisis económico de las mismas, se deben realizar cambios que incluyen alguna inversión, los cuales son: En la primera variante se contempla la reducción de las pérdidas en líneas calculadas en el capítulo anterior y representadas en la figura 2.15, además la construcción de 50 metros de línea y la instalación de un interruptor seccionalizador para la conexión del nuevo parque a la red, como se puede observar en la tabla 3.2 donde C y M se refiere a la construcción y montaje.. Pedro luis rivero yera. 50.

(65) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Tabla 3.2: Descripción de las inversiones en redes eléctricas variante1.. En la segunda variante es necesario agregar la construcción de una línea de 2311 metros para la reconexión del PSFV Cantarrana al alimentador 1640 e incluir 3 seccionalizadores, uno para el nuevo Proyecto el Cárnico y dos para la nueva línea y salida del PSFV Cantarrana. También se le incorporan la reducción de las pérdidas en líneas calculadas en el capítulo anterior representada en la figura 2.19. Todos estos gastos se pueden observar en la tabla 3.3.. Pedro luis rivero yera. 51.

(66) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. Tabla 3.3: Descripción de las inversiones en redes eléctricas variante 2.. 3.3.1 Indicadores económicos utilizados para el análisis La evaluación económica financiera constituye la etapa del estudio de factibilidad, donde se mide si la magnitud de los beneficios obtenidos con la ejecución del proyecto supera los costos y gastos en que se incurrieron. Los principales indicadores calculados son los siguientes: . Costo de inversión.. . Período de recuperación de la inversión.. Pedro luis rivero yera. 52.

(67) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS. 3.3.2 Costo de inversión El costo de inversión preliminar se elabora teniendo en cuenta experiencias anteriores y resultados alcanzados en la instalación de los PSFV que en la actualidad ya se encuentran en funcionamiento (Frigorífico en la provincia Villa Clara, Cantarrana I y II y Cruces en la provincia Cienfuegos, CIES Santiago de Cuba, Santa Teresa Guantánamo, La Fé Municipio Especial Isla de la Juventud), así como ofertas técnicas recibidas para el equipamiento tecnológico de un PSFV. A partir de este monto y sobre la base de la capacidad a instalar, se estima por la UNE el resto de los acápites de inversión, tomando como base las particularidades del entorno nacional. Variante 1 Primeramente se analiza la primera variante mencionada en el capítulo anterior. Los resultados se pueden observar en la tabla 3.4. Tabla 3.4: Desglose del valor total de inversión Variante 1.. Pedro luis rivero yera. 53.

(68) UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS Más información sobre los costos de los aspectos mostrados en la tabla anterior, se puede consultar el Anexo 6 para Equipos, Anexo 7 para Construcción y Montaje y el Anexo 8 para otros. Variante 2 Se analiza la segunda variante mencionada en el capítulo anterior, la cual incluye además de lo descrito en la Variante 1, la construcción de una línea y dos interruptores adicionales. Los resultados de la inversión total se reflejan en la tabla 3.5. Tabla 3.5: Desglose del valor total de inversión Variante 2.. Se observa que la segunda variante tiene un costo de equipos de 4700,34 MCUC lo cual es mayor que la primera variante que tiene 4594,51 MCUC. Esta diferencia se debe, como se precisó anteriormente, a la construcción de la línea y la incorporación de dos interruptores seccionalizadores adicionales.. Pedro luis rivero yera. 54.