Los sistemas h´ıbridos surgieron debido a las condiciones demogr´aficas, geogr´aficas o econ´omicas de ciertas regiones del mundo, limitando el abastecimiento el´ectrico desde las redes interconectadas nacionales. [27]
Un sistema h´ıbrido es la combinaci´on de dos o m´as tecnolog´ıas (solar, e´olica, etc.) con la finalidad de generar electricidad de manera confiable y a un costo competitivo.[28]
Actualmente la tecnolog´ıa de sistemas h´ıbridos se encuentra todav´ıa en etapa de desarrollo en el plano internacional, y existen limitaciones importantes en cuanto a la disponibilidad de metodolog´ıas y herramientas ingenieriles para el dise˜no ´optimo de estos sistemas.[3]
Para el desarrollo de sistemas h´ıbridos ya se han identificado una serie de requerimien- tos espec´ıficos y caracter´ısticas para el abastecimiento de energ´ıa el´ectrica.
Algunos de los requerimientos m´as importantes para que el sistema sea sostenible son[4]:
Uso de energ´ıas renovables en sitios remotos y la disponibilidad de recursos energ´eticos locales.
Potencia requerida definida y constante.
El menor costo nivelado posible de la energ´ıa generada.
Operaci´on y mantenimiento.
Operaci´on desatendida.
Aceptaci´on local.
Seguridad.
Vida ´util del servicio.
Flexibilidad y facilidad de expansi´on de la capacidad.
Funcionalidad ante severas condiciones ambientales.
Reproducibilidad.
Otros aspectos no menos importantes se presentan en la instalaci´on, donde gran parte de la problem´atica es atribuible, al igual que en el dise˜no, a la falta de una gu´ıa metodol´ogica y herramientas de software; por mencionar algunos se tienen:
Aspectos t´ecnicos:
• Falta de conocimiento suficiente respecto a la disponibilidad de recursos renovables (principalmente viento) en algunos proyectos, que conduce a subdimensionamiento de los sistemas.
• Selecci´on de componentes sin tomar en cuenta el medio ambiente del lugar de instalaci´on de los sistemas, que conduce a fallas prematuras de partes y componentes (principalmente en zonas costeras).
Aspectos no t´ecnicos:
• No se dejan partes de repuesto y componentes cr´ıticos de los sistemas en las locaciones.
• Servicios t´ecnicos especializados y refacciones provenientes del extranjero.
• Algunos de los sistemas implementados han sido ´unicos en su tipo.
• Costo del sistema.
Tecnolog´ıa inform´atica (software) aplicable a la simulaci´on de sistemas h´ıbridos: Se han identificado tareas que resultan muy interesantes el momento de establecer una metodolog´ıa, algunas de ellas cr´ıticas e imprescindibles, y otras de tipo complementario[3]; como podemos observar en el Cuadro 2.4.
Tarea Aplicaci´on
Factibilidad t´ecnica y econ´omica de un sistema h´ıbrido Cr´ıtica e imprescindible Funcionamiento operacional: Simulaci´on Cr´ıtica e imprescindible
C´alculo de las emisiones contaminantes Complementaria Simulaci´on de Redes el´ectricas de distribuci´on Complementaria
Cuadro 2.4: Tareas para establecer metodolog´ıas
Hoy en d´ıa es cada vez m´as frecuente el uso de la tecnolog´ıa h´ıbrida, que combina las tecnolog´ıas e´olica y solar. Cada una de estas 2 tecnolog´ıas por separado tiene el problema de generar de forma intermitente, al ser las fuentes (viento y sol) no constantes en el tiempo. Sin embargo, combinadas, sus limitaciones se reducen, dando lugar a un abastecimiento energ´etico mucho m´as constante y fiable.
Al ser la generaci´on intermitente, existe la necesidad de instalar las bater´ıas; dis- positivos capaces de almacenar la energ´ıa en los momentos de m´axima generaci´on para poder seguir abasteciendo a los usuarios en los momentos de m´ınima generaci´on.
Finalmente, los inversores pasan la corriente continua con que se almacena en las ba- ter´ıas a corriente alterna con que se distribuye y suministra a los puntos de consumo.[29]
Los sistemas aut´onomos basados en generadores fotovoltaicos y e´olicos con almace- namiento por medio de bater´ıas son una opci´on para la alimentaci´on de peque˜nas cargas en emplazamientos remotos (Figura 2.20) como alimentaci´on el´ectrica de casas situadas en sitios remotos, para telecomunicaciones, granjas agropecuarias, centros sanitarios, etc.
Figura 2.20: Sistema h´ıbrido e´olico fotovoltaico
Como podemos observar en la Figura 2.20, los componentes del sistema h´ıbrido son: los componentes de generaci´on, en el caso de la tecnolog´ıa e´olica se utilizan aerogeneradores y en el caso de la tecnolog´ıa solar se utilizan paneles fotovoltaicos, los elementos de control (que pueden ser individual para cada tecnolog´ıa, no muy recomendada;
o controladores espec´ıficos de cada fabricante de aerogeneradores, que dan la opci´on de regular sistemas h´ıbridos), los componentes de almacenamiento y los componentes de carga (en donde podemos incluir los inversores de carga).
2.3.1. Componentes del sistema h´ıbrido e´olico-fotovoltaico Aerogeneradores
Los aerogeneradores con que se trabaja son equipos de baja potencia. Sus par´ametros caracter´ısticos son:
Velocidad de arranque: Velocidad [m/s] del viento a partir de la cual el aerogenerador empieza a generar.
Potencia m´axima:Potencia m´axima [W] a la que el aerogenerador puede llegar a trabajar.
Velocidad de corte: Velocidad m´axima [m/s] del viento a partir de la cual el aerogenerador deja de generar.
Voltaje: Voltaje [V] al que el aerogenerador genera electricidad.
Figura 2.21: Aerogenerador Rutland 913
Paneles fotovoltaicos
Los paneles considerados en el presente trabajo son policristalinos y de baja potencia.
Estos presentan un mejor rendimiento que otros tipos de paneles. Los par´´ ametros caracter´ısticos son:
Voltaje: Voltaje [V] al que genera el panel.
Potencia nominal: Potencia m´axima [W] que puede dar el panel en unas condiciones estandarizadas (radiaci´on solar de 1000W/m2 y temperatura de 25oC).
Figura 2.22: Panel fotovoltaico Siliken SLK60P6
Regulador e´olico
Las 2 funciones principales del regulador e´olico son proteger a las bater´ıas de sobrecar- gas y descargas profundas y pasar de la corriente alterna generada por el aerogenerador a corriente continua con que se almacena la energ´ıa en las bater´ıas. La caracter´ıstica principal de estos componentes es la potencia m´axima [W] que pueden soportar. ´Esta se obtiene del producto de la intensidad m´axima [A] por la tensi´on nominal [V].
Figura 2.23: Regulador e´olico MARLEC HRSi
Regulador solar
El regulador solar protege a las bater´ıas de sobrecargas y descargas profundas y con- trola la tensi´on de salida de los paneles fotovoltaicos para que ´esta entre en las bater´ıas con el valor adecuado. A diferencia del caso e´olico, aqu´ı el equipo de generaci´on ya produce en corriente continua y no es necesaria ninguna transformaci´on de corriente.
La caracter´ıstica principal de los reguladores solares es la potencia m´axima [W] que pueden soportar.
Figura 2.24: Regulador solar Steca Solsum
Bater´ıa
Las bater´ıas o acumuladores son equipos capaces de almacenar energ´ıa el´ectrica mediante procesos electroqu´ımicos. Los par´ametros caracter´ısticos de estos dispositivos son:
Tensi´on:Tensi´on [V] de trabajo.
Capacidad: Cantidad de energ´ıa [Wh] que se puede almacenar, para ser suministrada.
Factor de descarga: M´aximo porcentaje de energ´ıa que se permite descargar.
La descarga profunda o completa da˜na al equipo, perdiendo ´este sus propiedades y debi´endose sustituir.
Rendimiento: Cociente entre la energ´ıa ´util aprovechable y la energ´ıa que ha sido suministrada.
Figura 2.25: Bater´ıas solares FIAMM OPzS
Inversor
Los inversores u onduladores transforman la corriente continua que sale de las bater´ıas en corriente alterna para abastecer a los puntos de consumo. Son necesarios cuando la distribuci´on se quiere en corriente alterna. Sus par´ametros caracter´ısticos son:
Potencia nominal:Potencia [W] a la que el inversor puede trabajar toda su vida
´
util sin estropearse. Se dise˜na para que a esta potencia se minimicen las p´erdidas.
Rendimiento: El rendimiento [ %] se da cuando el inversor est´a trabajando a potencia nominal. Dicho rendimiento disminuye cuando el inversor se aleja de esta potencia lleg´andose a producir grandes p´erdidas en este componente.
Factor de simultaneidad: Estima el porcentaje de equipos que pueden llegar a estar conectados al mismo tiempo, entendiendo que no todos los usuarios conectaran en un mismo instante todos sus equipos el´ectricos.
Figura 2.26: Inversor Steca Solarix PI
2.3.2. Aplicaciones de los sietemas h´ıbridos
Las aplicaciones m´as comunes de sistemas h´ıbridos de tipo profesional son las relacio- nadas con sistemas de telecomunicaciones, sistemas de monitorizac´on y telemedida, o se˜nalizaci´on.
Son aplicaciones que tienen consumos entre 1 y 100 kWh diarios y que por sus ca- racter´ısticas requieren buena disponibilidad. En sistemas con menor consumo las so- luciones m´as comunes ser´ıan puramente solares o puramente e´olicas, y para sistemas con consumos superiores ser´ıa habitual complementar con generadores que usen alg´un combustible f´osil.
En los sistemas de telecomunicaciones se emplean en estaciones repetidoras y estaciones base de telefon´ıa m´ovil, estaciones terrestres de sat´elite, gap-fillers de televisi´on, etc.[30]
Figura 2.27: Estaciones repetidoras h´ıbridas(e´olica-solar)