03 octubre 2010

Diseñando sistemas híbridos en generación distribuida


En muchos artículos venimos hablando sobre la generación distribuida como una serie de disciplinas que ahorran costes al evitar distribución y transformación. Pero no cabe duda que optimizar la generación distribuida para sacarle el máximo partido no es sencillo.

En esta ocasión hablamos de los sistemas híbridos, técnica de generación que utiliza distintas fuentes que producen en diferentes momentos según sea factible o interese por costes.


Híbrido con diesel

Para tener certeza de cumplir las demandas de carga en todo momento lo más conveniente es usar una fuente de energía. La mayoría de los sistemas híbridos usan generadores diesel con los sistemas fotovoltaicos o eólicos, ya que el diesel proporciona una energía más predecible. En algunos sistemas híbridos, las baterías se usan en adición al generador diesel. Las baterías cumplen la fluctuación de carga diaria, y el generador diesel absorbe las fluctuaciones a largo plazo. Por ejemplo, el generador diesel se usa cuando se produzcan las peores condiciones climáticas, tales como días nublados o sin viento.

Híbrido con célula de combustible

En sistemas de energías renovables estacionarias de diseños híbridos, la célula de combustible tiene el potencial de reemplazar motores diesel en áreas urbanas. En estas aplicaciones, el motor diesel no es conveniente por su impacto ambiental negativo.

Las células de combustible son válidas por ejemplo en fábricas y hospitales para reemplazar los generadores diesel como sistema de suministro eléctrico ininterrumpido. También son útiles para cumplir con la demanda pico y para nivelar las cargas entre el día y la noche y durante la semana.

La célula de combustible es un dispositivo electroquímico que genera electricidad mediante una reacción química sin alterar los electrodos o los materiales del electrolito. Esto las distingue de las baterías electroquímicas. El concepto de célula de combustible es el inverso del de la electrólisis del agua, en el que hidrógeno y oxígeno se combinan para producir electricidad del agua. La célula de combustible es un dispositivo estático que convierte la energía química directamente en energía eléctrica. Ya que la célula de combustible sobrepasa la conversión térmica a mecánica, y ya que su operación es isotérmica, la eficiencia de conversión no está limitada por Carnot. De esta forma, difiere del motor diesel.

La célula de combustible se desarrolló como fuente de energía intermedia para aplicaciones espaciales, comenzó a usarse en las misiones lunares y continua usándose en las lanzaderas espaciales de la NASA. En aquellos lugares donde necesitamos energía durante días o semanas no es práctico obtenerla con baterías pero si con células de combustible.

En las células de combustible el hidrógeno se combina con el oxígeno del aire para producir electricidad. El hidrógeno, sin embargo, no se quema como en un motor de combustión interna, sino que produce electricidad mediante una reacción electroquímica. El agua y el calor son subproductos de esta reacción si el combustible es hidrógeno puro. Con el gas natural, etanol o metanol como fuente de hidrógeno, los subproductos incluyen dióxido de carbono, y trazas de monóxido de carbono, hidrocarburos y óxidos de nitrógeno. Sin embargo, sus emisiones son menos de un 1 % de las emitidas por un motor diesel. Las ventajas de una célula de combustible respecto a un generador son su mayor fiabilidad y que no tienen partes móviles. Las células de combustible múltiples se apilan en combinaciones serie-paralelo para el voltaje y la corriente requeridos, justo como la célula de combustible hace en la batería.

Modo controlador

El sistema total debe diseñarse para un amplio rango de rendimientos para acomodar las características del generador diesel (o célula de combustible), el generador eólico, y la batería. Cuando es necesario, la conmutación al modo deseado de generación se hace en el modo controlador. De esta forma, el modo controlador es el control central y el controlador de los sistemas híbridos. El controlador aloja el microcomputador y el software para la selección de fuente, la gestión de la batería, y la estrategia de despojarse de carga. El modo controlador realiza las siguientes funciones:

• Control de la salud y estado del sistema.
• Control del estado de carga de la batería.
• Conecta el generador diesel cuando se necesita, y lo apaga cuando no es necesario.
• Despojar cargas de baja prioridad de acuerdo con prioridades seleccionadas.

La batería entra on-line mediante un conmutador de transferencia automática, que emplea 5 ms para conectar la carga. El diesel, por otra parte, entra on-line, manualmente o automáticamente, tras una preplanificación de un algoritmo. Incluso con un conmutador de transferencia automática, el generador diesel tarda un tiempo en entrar on-line. Típicamente, este tiempo de demora es aproximadamente 20 segundos.

El modo controlador está diseñado y programado con bandas muertas para evitar cambio en las fuentes para corregir pequeñas variaciones en el voltaje y frecuencia del bus. Las bandas muertas evitan oscilaciones en el sistema.

Como parte de un controlador de un sistema total, el modo controlador puede incorporar el algoritmo de extracción de energía máxima. El comportamiento dinámico del sistema en bucle cerrado debe ser tomado en cuenta en el diseño siguiendo perturbaciones comunes tales como cambios en el aislamiento por nubes, fluctuaciones eólicas, cambios de carga repentina y fallos de cortocircuito.

Compartiendo cargas

En los sistemas híbridos operan en paralelo combinaciones eólicas, fotovoltaicas, batería y diesel, y compartir la carga entre ellas es uno de los aspectos de diseño clave del sistema híbrido. Por ejemplo, en el sistema híbrido diesel/eólico, las propiedades eléctricas de los dos sistemas deben acoplarse de forma que compartan cargas en proporción a sus capacidades nominales.

El método para determinar las cargas compartidas, los dos sistemas son primero reducidos a su modelo de circuito equivalente de Thevenin, en el que cada sistema se representa por su voltaje interno y la impedancia serie.

La estrategia de compartir cargas puede variar dependiendo de la prioridad de las cargas y el coste de la electricidad de fuentes alternativas. En un sistema diesel-eólico, por ejemplo, la electricidad diesel es generalmente más cara que el viento. Por lo tanto, todas las cargas de prioridad 1 se abastecen del viento cuando sea posible y luego por el sistema diesel. Si la energía disponible del sistema eólico es superior a la que requieren las cargas de prioridad 1, el viento suministra parte de las cargas de prioridad 2 y el sistema diesel no arranca. Si la energía eólica fluctúa, las cargas de prioridad más baja se alimentan evitando hacer funcionar el sistema diesel. Si la energía eólica cae aún más corta el suministro a la carga de prioridad uno, el diesel entra on-line nuevamente. Bombeo o calentamiento de agua, son ejemplos de cargas de prioridad 2.

DIMENSIONADO DE SISTEMAS HÍBRIDOS


Para determinar la capacidad requerida del sistema de generación estacionario, la estimación de la demanda de carga pico es solamente un aspecto del diseño. Estimar la energía requerida sobre la duración seleccionada es el primer requerimiento para el dimensionado del sistema.

Estimación de potencia y energía

El diseñador debe empezar compilando una lista de todas las cargas servidas. No todas las cargas son constantes. De las cargas que varían con el tiempo (p. ej. sistemas de refrigeración o climatización) debemos obtener los vatios pico que se consumen en máxima potencia. El consumo de potencia pico se usa para determinar el tamaño de los conductores para conectar a la fuente.

Debe compilarse el consumo de potencia pico y el ratio de consumos de todas las cargas. Si hay distintos intervalos de uso en el periodo, identificaremos la descarga de batería e intervalo de carga.

Si suministramos energía a una comunidad de viviendas o negocios debe tenerse en cuenta que no todas las cargas están conectadas simultáneamente. Debe aplicarse un factor de corrección que va de 0,45 para 3 viviendas a 0.26 para 50 viviendas.

Dimensionado de baterías

La capacidad de las baterías se determina estimando los Ah (amperios hora) necesarios para cumplir los requerimientos de carga.

Bibliografía: Patel, M. R. 1999. Wind and Solar Powar Systems. CRC Press

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