Diseño de un sistema híbrido solar-eólico para proveer de energía a

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2003
Resumen: T-028
Diseño de un sistema híbrido solar-eólico
para proveer de energía a una comunidad.
Sogari, Noemí
Depto. de Física - Facultad de Cs. Exactas y Naturales y Agrimensura - UNNE.
Av. Libertad 5450 - (3400) Corrientes - Argentina.
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INTRODUCCION
La energía eólica es una forma secundaria de energía solar. La existencia de temperaturas diferentes en la superficie de
la tierra originan “ el viento “. Puesto que las masa de aire caliente, menos densas se elevan rápidamente, mientras que
el aire más frío llena los espacios dejados por las masas de aire más livianas. Este movimiento del aire se combina con
la rotación de la tierra, dando lugar a la formación de una corriente de viento.
El potencial eólico está determinado por tres factores:
•
La velocidad del viento
La generación de energía eólica disponible se incrementa exponencialmente, con el aumento de la velocidad del
viento. La potencia disponible es proporcional al cubo de la velocidad.
•
Las características del viento.
Las formaciones geográficas, las estructuras artificiales pueden diferenciar el recurso eólico utilizable y uno que
no lo es . 1
•
La densidad del aire.
Las bajas temperaturas dan lugar a mayor densidad del aire, lo que significa mayor fluidez de las moléculas gaseosas
sobre la pala de la turbina, lo que produce mayor rendimiento de potencia para una determinada velocidad.
El potencial eólico, es decir la energía cinética del viento en una unidad de tiempo, se incrementa con el cubo de la
velocidad del viento. por lo tanto de los tres parámetros antes citados, la velocidad del viento es el determinante.
MATERIALES Y METODOS
En primer lugar se realizó un estudio de factibilidad para instalar un sistema que aproveche las Energías Renovables a
fin de brindar a una pequeña comunidad salteña iluminación y comunicación.
La comunidad está ubicada en Vaqueros, localidad que se encuentra al norte de la ciudad de Salta, a unos 10 km del
casco céntrico de la misma.
Las viviendas son casas tipos, cada una compuesta por :
- dormitorios de 3x4 m2 cada uno;
- 1 cocina-comedor de 3x3 m2;
- 1 baño de 2x2 m2,
- 1 galería
- un patio.
El consumo de energía se hizo para el periodo invernal, puesto que durante el mismo el requerimiento es mayor que en
épocas estivales; lo cual significó que el sistema propuesto, proveyó de energía suficiente durante todo el año. Todas las
habitaciones contaban con lámparas fluorescentes de bajo consumo de 15 watt cada una, alimentadas con tensión
alterna de 220 V a través de un conversor de energía de CC a CA conectado a un banco de baterías centralizado,
alimentado por dos sistemas alternados: Paneles fotovoltaicos y aerogeneradores. Cabe aclarar que la distribución de
energía domiciliaria, se hizo en corriente continua (esto fue factible porque las distancias entre el centro de distribución
y los domicilios son relativamente cortas), y en cada una de las casas se puso un conversor de CC a CA.
RESULTADOS
A continuación se presenta una tabla con el consumo energético correspondiente a una vivienda tipo. Dicho consumo
era el requerido para hacer el diseño tanto de los paneles fotovoltaicos como así también de los aerogeneradores.
1
Nociones Generales de Energía Eólica. Mattio, H. Ponce, G Nov. 2000
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Habitación
Dormitorio 1
Dormitorio 2
Cocina
Baño
Galería
Patio
Artefacto
Fluorescente de
bajo consumo
Fluorescente de
bajo consumo
Fluorescente de
bajo consumo
Fluorescente de
bajo consumo
Fluores. de bajo
consumo
Radio
Fluores. de bajo
consumo
N° de
artefactos
Consumo
[w]
Horas de uso
[hs/día]
Demanda diaria
[wh/día]
2
15
3
90
2
15
3
90
1
15
2
30
1
15
1
15
1
15
2
1
5
3
1
15
1
45
15
Tabla 1: Consumo energético diario
De la tabla 1, se obtiene que el requerimiento energético diario para una familia tipo era de 285 Wh/día.
Considerando que cada una de las casas contaba con un conversor el cual tiene un rendimiento del 93%, la energía
diaria requerida a la entrada del mismo es de 304,95 Wh/día. Por otro lado si consideramos que las pérdidas en la línea
de distribución era de un 3 %, la demanda a la salida del banco de baterías fue
Epor unidad diaria = 314 Wh/día.
Por lo tanto la demanda de energía correspondiente a toda la comunidad erade
Etotal diaria = 31,4 kWh/día.
Dimensionamiento del sistema fotovoltaico
Para determinar el número de paneles necesarios para el tipo de consumo especificado con anterioridad, se aplicó la
siguiente fórmula:
NP =
Fs × DM
( HPS × PFP )
(1)
donde
NP : Número de paneles
Fs : Factor de seguridad(tiene en cuenta entre otras cosas el envejecimiento del panel), aquí considerado de un valor
1,2
DM : Demanda diaria máxima de consumo de energía, en este caso es 31,4 kWh/día
HPS : representa la cantidad de horas equivalente a la de máxima radiación; para el caso de Salta y sus alrededores es
de 4 hs/día
PFP : Es la potencia pico del panel, dada por el fabricante, se usará un módulo Solarex MSX-60, cuya potencia de
pico es de 60w.
El número de paneles requerido para satisfacer la demanda de esta población será:
NP =
1,2 × 31410
= 117 Paneles
(4 × 60 )
NP = 117 paneles
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Dimensionamiento del banco de baterías
Para calcular el N° de baterías necesarios para almacenar la energía, se utiliza la siguiente ecuación:
NB =
DM × TA
× CM
( ALM
)
(2)
NB : Número de baterías
TA : Tiempo de autonomía del sistema en ausencia de radiación, en este caso se eligió 3 días por las características de
la zona
ALM : Capacidad de almacenamiento de la batería. Se eligieron baterías estacionarias de vasos tubulares de 800 Ah.
Por lo tanto es igual a 9600 Wh
CM : Valor de descarga recomendado por el fabricante. CM = 0,5
NB =
31410 × 3
= 20 Baterías
(9600 × 0 ,5 )
NB = 20 baterías
Las baterías se instalaron conectadas en paralelo y la tensión de salida es de 12 V.
Dimensionamiento del sistema eólico
Para calcular la potencia y la energía media diaria entregada por el generador eólico, establecida la velocidad media del
lugar (teniendo en cuenta la altura del eje del rotor) se calcularon directamente la potencia media entregada por la
máquina a esa velocidad y la energía diaria entregada.
La máquina elegida fue una KURIANT, cuyas características técnicas son las siguientes:
• Potencia Nominal = 15 Kw
• Velocidad de corte = 25 m/s
• Control de potencia : tipo Stall
• Altura del eje : 18 m
• La velocidad media del lugar V = 5,05 m/s
Teniendo en cuenta la altura del eje del rotor, sabiendo que el anemómetro estaba ubicado a una altura de 10 m y
estimando que el coeficiente de rugosidad del terreno, según las características del mismo esta entre la clase 1 y 2,
asignamos el valor á= 0,15 A partir de estos datos se calcula la velocidad media a la altura del eje del rotor, aplicando
la ecuación de la ley potencial:
V18 = V10 (L18 / L10 ) á
V18 : velocidad media a la altura de 18 m
V10 : Velocidad media a la altura de 10 m
L18 : altura donde se va a ubicar el eje del aerogenerador, en este caso 18 metros
L10 : altura donde se midió la velocidad con el anemómetro, en este caso 10 metros
α : coeficiente de rugosidad del terreno, según las características del terreno donde será emplazado el parque eólico.
Se eligió un coeficiente de rugosidad ubicado entre las clases 1 y 2, es decir á = 0,15, debido a la existencia en las
cercanías del lugar de arbustos.
V18 = 5,51 m/s
Teniendo este valor de velocidad y usando la curva de trabajo de la máquina, se obtuvo el valor de potencia media de
la máquina (Pm) para esa velocidad. En este caso:
Pm = 1,67 Kw
La energía generada diariamente por la máquina, fue:
Ediaria generada = 40 Kwh/día
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CONCLUSION
Comparando este valor de energía generado por el aerogenerador y el de consumo por parte del usuario (Ediaria consumida
= 31,4 Kwh/día ), se concluye que se cubren las necesidades , como así también puede observarse un excedente de
energía que bien puede servir para montar algún tipo de industria en el lugar (como ser aserraderos, etc), o bien pueden
formarse centros vecinales para actividades culturales donde se pueda aprovechar este sobrante de energía.
BIBLIOGRAFIA
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Nociones Generales de Energía Eólica. Mattio, H. Ponce, G Nov. 2000
Wind Energy. J. Hans 2000