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E
n su búsqueda por identificar diferentes tecnologías
que permitan abastecer energía a las zonas no interconectadas –ZNI en Colombia, EPSA – Empresa de Energía de
Pacifico S.A, realizó un proyecto piloto en una zona de río a
la salida del agua turbinada en la central hidroeléctrica de
Salvajina, la cual tiene una capacidad de generación de 280
MW. Este proyecto se hizo con el objetivo de adquirir el conocimiento del desempeño de un sistema híbrido que utiliza una microturbina de río y un sistema fotovoltaico bajo
condiciones controladas.
La microturbina tiene una capacidad instalada de 5 kW y el
sistema de paneles solares una capacidad de 1 kW. Estas
fuentes suministrarán energía para alimentar algunas cargas de la casa de máquinas.
In his quest to identify different technologies to supply
energy to areas not interconnected -ZNI in Colombia,
EPSA - Pacific Power Company SA conducted a pilot project in an area of the river to the output of turbine water
the hydroelectric plant Salvajina which has a generating
capacity of 280 MW, this in order to acquire knowledge
of the performance of a hybrid system that uses a microturbine river and photovoltaic systems under controlled
conditions.
The microturbine has an installed capacity of 5 kW and
solar panel system a capacity of 1 kW. These sources
supply energy to power some loads of the powerhouse.
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Sandra Ospina Arango
Empresa de Energía del Pacifico S.A
Alberto Arias
Empresa de Energía del Pacifico S.A
Edwin Cuervo
Empresa de Energía del Pacifico S.A
Carlos Quiceno
Empresa de Energía del Pacifico S.A
Palabras Clave
Microturbina de río,
generación hibrida,
generación distribuida,
paneles solares.
Keywords
River microturbine,
hybrid generation,
distributed generation,
solar panels.
I. INTRODUCCIÓN
El sistema híbrido, está compuesto por una microturbina de rio de 5 kW y un sistema fotovoltaico
de 1 kW, el cual está diseñado para aprovechar la
energía cinética de los ríos y la radiación solar con
el fin de generar electricidad en zonas aisladas a
pequeña escala.
La turbina produce electricidad directamente en
corriente alterna y no necesita caídas de agua,
infraestructuras adicionales, ni grandes gastos de
mantenimiento, esto le permite competir con los
generadores diesel en un sistema aislado. El hecho
de estar especialmente diseñada para minimizar
su impacto sobre los ríos y su hábitat la convierte, además, en una tecnología limpia y respetuosa
con el medio ambiente.
En la primera parte de este artículo se describe
cada uno de los componentes del sistema, sus
características principales y sus características de
operación, después se procede a ilustrar el proceso de instalación y conexionado del sistema hibrido en general y cómo se acopla cada una de las
fuentes de generación de acuerdo con las condiciones climáticas del entorno, a continuación se
procede a destacar los resultados obtenidos en la
operación para finalmente compartir las conclusiones que se obtienen de esta experiencia.
La turbina de 5kW construida por SHP – Smart Hydro
Power - está construida alrededor de un robusto sistema de generador de eje horizontal.
El diseño de la microturbina se optimizó con el volumen del equipo más pequeño posible que fuera capaz de generar hasta 5 kW con una velocidad del río
de alrededor de 2,7 m/s.
El anclaje para las instalaciones flotantes se puede
lograr con el sistema de anclaje al vacío o mediante
la fijación de estructuras existentes.
Figura 1. Microturbina de río4
II. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
HÍBRIDO DE GENERACIÓN
La ejecución del proyecto consiste en la implementación de dos sistemas de generación, que utilizan
diferentes fuentes de energía como la hídrica y la solar y que además sean complementarios entre sí, a
continuación se describen las características de los
principales elementos que componen el sistema:
A. Microturbina y sus componentes:
La microturbina de origen alemán (Fig. 1), está diseñada de forma que no bloquea el flujo de agua en el
río, y por lo tanto no representa obstáculo para la migración de peces o sus patrones de desove. Además
la turbina puede ser elevada o sumergida en el agua
para ajustarse a diferentes condiciones de flujo.3
Tabla 1. Características de la microturbina.4
Figura 2. Curva de potencia del generador4
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1. Controlador microturbina
El controlador utilizado fue el Clipper, que protege reguladores de carga y otros dispositivos electrónicos
de detección de la tensión de entrada de la turbina
y el uso de sus cargas internas, según sea necesario paramantener siempre la tensión de entrada a un
valor establecido. El Classic utiliza su salida auxiliar
para controlar el controlador y proporcionar un rendimiento óptimo. La carga interna debe ser dimensionada de acuerdo con la turbina que se utiliza para
proporcionar frenado adecuado y no sobrecargar la
microturbina. Cuando el control deslizante en el lado
del controlador se encuentra en la posición de parada de la tensión de entrada (corriente continua o trifásica) se mantiene a cero voltios para proporcionar
una frenada de emergencia.
1. Inversor:
Se instaló un inversor combinado Steca Xtender de
5kW que tiene funciones de inversor, de cargador de
batería, de conmutación y de apoyo de fuentes de
corriente alterna externa. Estas funciones pueden
controlarse de forma combinada y totalmente automática presentando un excelente aprovechamiento
de la energía disponible.6
Figura 3. Equipo controlador Microturbina7
B. Sistema fotovoltaico.
El sistema solar fotovoltaico se implementó con una
composición de 8 módulos policristalinos de 210 W5
en la terraza del taller electromecánico de la central
de salvajina. Esta ubicación nos permite un punto
cercano entre la fuente y la carga, lo cual es fundamental para un óptimo desempeño de la tecnología.
Figura 5. Inversor del sistema 5 kW
Figura 4. Instalación de los paneles en sitio.
Figura 6. Banco de baterías de sistema.
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2. Baterías:
Se instaló un banco de acumulación de 500 AH a 48
Vdc, compuesto por 24 baterías MSJ 500.
III. PROCESO DE
INSTALACIÓN
Para el proceso de instalación se identificaron los siguientes requisitos básicos de un río o curso de agua
para realizar la instalación de la microturbina:
• Profundidad mínima del río: 1,8 metros
• Ancho mínimo: 2 metros
• Rango de velocidad de la corriente de agua: 1 a
3,5 m/s
Se validaron estas características en la región del
Valle del Cauca y se definió instalar la microturbina
en la salida de la central hidroeléctrica de Salvajina,
además esta locación presentaba las siguientes ventajas para el piloto:
• La posibilidad de tener un caudal regulado y permanente por la condición de esta central (cumple la
función de regular el caudal del rio Cauca).
• Vigilancia y monitoreo permanente por parte del
personal de seguridad, de operación y mantenimiento de la central.
Teniendo definido la Central como punto del piloto,
se procedió a identificar el mejor lugar para realizar
el conexionado del sistema fotovoltaico, evitando
las sombras y obteniendo una distancia cercana a
la carga por lo cual se definió el techo del taller mecánico Fig. 4.
A continuación se realizó una selección de las cargas
aprovechando los elementos del taller electromecánico, definiendo las siguientes:
Figura 7. Microturbina armada y lista para trasladar al rio
Durante el montaje hubo diferentes situaciones a
corregir, relacionadas con la posición que se requiere que tenga la microturbina, evitando inclinaciones
hacia atrás o los laterales como se presenta en las
Fig. 8 y Fig. 9. Una de ellas fue en el ajuste del anclaje
inicial.
Figura 8, Inclinación de la microturbina hacia la salida del generador.
• Estufa de dos boquillas (1) • Esmeril (1)
• Nevera (1) • Enfriador de agua (1)
• Bombillos (10) • Calentador de agua (1)
• Extractor (1)
Teniendo los sitios definidos, se realizó un plan de
montaje de la microturbina, con los posibles sitios
de anclaje, distribución del cableado eléctrico y conexiones a las diferentes cargas.
Figura 9. Problemas de estabilidad en la instalación.
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Para corregir esto se realizaron ajustes en el sistema
de amarre de la microturbina, obteniendo el equilibrio requerido para su correcta operación, como se
muestra en la fig. 10.
Figura10. Vista lateral del funcionamiento actual del anclaje
Teniendo los sistemas de generación instalados se
continuó con la disposición del sistema de conversión, almacenamiento y monitoreo, el cual se ubicó
en un sitio central que permitía realizar los cambios
de configuración requeridos para llevar a cabo todas
las pruebas.
Figura 11. Cuarto de control y seguimiento del sistema de generación hibrida
IV. RESULTADOS Y
ANÁLISIS.
En un periodo de seis meses se realizaron varios
ajustes en la configuración del sistema y se obtuvieron diferentes condiciones climáticas que permitieron validar el correcto funcionamiento del sistema
hibrido, a continuación se presentan algunos de los
resultados del piloto:
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A. Microturbina:
A continuación se muestra la generación de energía
de la microturbina en los meses de noviembre de
2013 a febrero de 2014:
Figura 12. Energía mensual producida por la microturbina
De la gráfica anterior se resalta que solo en el mes de
enero se tuvo operación continua de la microturbina
y se obtuvo el mejor registro de energía generada
901 kWh, teniendo este referente a continuación se
muestra el detalle de generación diaria en enero de
2014:
Figura 13. energia producida a diario en el mes de enero por la
microturbina.
En la gráfica anterior se puede visualizar el día con
mayor generación, el 16 de enero, en el que se alcanza un pico de 40,5 kWh, si se tuviera un caudal homogéneo durante todo el mes, igual al obtenido ese
día, se tendría una generación total mes de 1257,6
kWh que representa un aumento del 39% al obtenido
en dicho mes de operación.
La generación diaria de la microturbina depende directamente de la variación en el caudal del río, en
nuestro caso dicha velocidad depende del despacho
diario de la planta Salvajina, esta relación se visualiza
con un ejemplo de generación diaria, a continuación
se presenta el 8 de enero de 2014:
se ve afectada por las condiciones climáticas que se
presenten en el lugar, esto produce caídas y picos en
la curva de generación diaria del sistema tal como se
aprecia en la Fig. 15, en la cual se observa el perfil de
generación diaria del sistema en dos días de octubre. Además se destaca que la media de generación
del sistema fotovoltaico en un día es aproximado a
5 kWh.
Figura 14. energía producida por la microturbina en 8 de enero
de 2014
En la Fig. 14 se pueden apreciar los cambios en la generación de la microturbina de acuerdo con los cambios en el caudal del rio y los picos que se presentan
cuando se producen estos cambios.
En el piloto los cambios en el caudal del rio, dependen únicamente del número de turbinas despachadas en la Central de Salvajina, esta relación se aprecia en la siguiente tabla de velocidad del río versus
número de turbinas despachadas.
Figura 15. Perfiles de generación del sistema fovoltaico
C. Sistema hibrido
A continuación se ilustra el comportamiento del sistema hibrido en conjunto en un día de operación:
TABLA II. Relación entre turbinas despachadas de la planta y la
velocidad del río.
Comparando la Fig. 14 donde se muestran los tres
casos típicos de velocidad del agua y la Fig. 2 que
representa la curva de potencia del generador, se encuentra una correcta relación en la generación de la
microturbina en relación con la velocidad del río, obteniendo un desempeño adecuado de la tecnología.
B. Sistema Fotovoltaico
En el sistema solar se tiene una capacidad instalada de
1.6 kWp, la cual varía de acuerdo con la radiación solar
que impacta la superficie del módulo, dicha radiación
Figura 16. Generación del sistema hibrido en un día de operación
26/11/13
En este día se obtuvo una generación por parte de la
microturbina de 8.827 kWh y en el sistema fotovoltaico 5.6 kWh
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El sistema hibrido se debe diseñar de acuerdo con
los requerimientos de la carga y los recursos hídricos y solares que se tengan en el sitio de instalación. Partiendo de un análisis técnico/económico de
la implementación de dichas tecnologías o validar la
inclusión de otro tipo de tecnologías como la eólica,
biomasa que puedan tener un mejor desempeño en
el entorno de la implementación.
V. CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
Ambos sistemas de generación operan de forma
continua de acuerdo con el recurso solar e hídrico
y en el caso que alguno de los dos deje de operar
por falla el otro seguirá operando de forma independiente.
Los sistemas requieren de un sistema periódico de
limpieza de los equipos, en el caso de la turbina se
requiere que trimestralmente se retiren las hojas o
los residuos que se van asentando y en los paneles de forma semestral realizando limpieza sobre los
módulos fotovoltaicos.
Los valores de armónicos generados por ambos sistemas están por debajo de los valores límites establecidos por la norma IEEE std 519-92
Se ve una relación de complemento entre los dos
sistemas de generación, esto se debe principalmente a que en las épocas de lluvia en el rio se presenta
un caudal alto y constante, por otro lado se incrementa el tiempo donde se tiene un cielo nublado lo
cual disminuye la generación del sistema fotovoltaico, y en el otro escenario se tiene un sol constante
en el transcurso del día, pero de ser permanente en
el tiempo se
presenta una disminución en los caudales del río.
El sistema implementado permite la inclusión de
otras fuentes de generación que permitan diversificar la matriz de generación de acuerdo con los recursos disponibles en el sitio donde se va a llevar a
cabo la ejecución del proyecto.
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VI. REFERENCIAS
[1]
519-1992 - IEEE Recommended Practices
and Requirements for Harmonic Control in Electrical
Power Systems; April 9 1993, 978-0-7381-0915-2
[2]
Smart Hydro Power, Micro Hidroeléctrica Cínetica; 2014.
[3]http://biod2.files.wordpress.com/2012/12/
shp-detalles-de-turbina-rio-proy-espac3b1a-2013.
pdf
[4]
Micro Hidroeléctrica Cínetica, Brochure
2014, http://www.smart-hydro.de/de/product/turbine.html
[5]
Ficha tecnica, Yingli Solar YL 210 P-26b /
1495x990 SERIES, 2014.
[6]
Ficha tecnica, Inversor fotovoltaico STECA
http://www.archiexpo.es/prod/steca-elektronik/inversor-fotovoltaico-cadenas-trifasico-instalacion-residencial-74408-1307345.html.
[7]
Clipper Manual - Midnite Solar, https://
www.yumpu.com/en/document/view/34128315/clipper-manual-midnite-solar
VII. RESEÑA DE AUTORES
SANDRA OSPINA
Ingeniera eléctricista de la universidad del valle, Magíster de Generación de Energía. Gerente de Proyectos, Calidad e Innovación EPSA ESP
ALBEIRO ARIAS
Ingeniero electricista, Gerente de Crecimiento y Desarrollo EPSA ESP
EDWIN CUERVO
Ingeniero electricista de la universidad del Valle, Especialista en sistemas de transmisión y distribución
de energía eléctrica Universidad del Valle. Analista de
Proyectos e Innovación. EPSA ESP
CARLOS QUICENO
Biologo Universidad del Valle, estudios Ambientales
EPSA ESP