Sistema hbrido elico-fotovoltaico

Por Antonio Sarmiento Sera* Alternativas para la generacin de energa elctrica a partir de la instalacin de sistemas que integren los paneles solares fotovoltaicos y los aerogeneradores

Actualmente resulta evidente, sobre todo para los lectores de esta revista, la capacidad energtica de la radiacin solar. En Cuba, por ejemplo, se reciben cinco mil watt-hora (5 000 Wh) de energa solar en cada metro cuadrado de superficie horizontal, por da, como promedio aproximado. Un conocido sistema de captacin de energa solar es el fotovoltaico, basado en la tecnologa de los paneles fotovoltaicos, que pueden aprovechar cerca de 10 % de la energa incidente para convertirla en energa elctrica. Es decir, con paneles fotovoltaicos se pueden generar 500 Wh/m2 da de energa elctrica como promedio en Cuba.

En una escuela primaria en rea rural, donde se utiliza un receptor de televisin, una reproductora de vdeo y dos lmparas (sin considerar la computadora), se puede requerir de un consumo aproximado de 800 Wh/da; por tanto, puede deducirse que con paneles fotovoltaicos que abarquen una superficie aproximada de 1,6 m2, es posible generar la energa diaria promedio que requiere la escuela. Adems, con una mayor cantidad de superficie (m2) captadora pudiera producirse ms energa elctrica.

De forma similar, la energa del viento o energa elica es otro tipo de energa renovable, tambin de origen solar, y posee similares potencialidades. El viento puede entregar su energa para ser convertida en energa elctrica mediante sistemas conocidos como aerogeneradores.

Si se toma como ejemplo un viento sostenido con velocidad de 6 m/s (22 km/hora), como promedio durante seis horas diarias se puede generar una energa elctrica de 250 Wh/m2da. Es importante sealar que aqu la superficie (medida en m2) se refiere a la superficie del crculo que presenta frontalmente el rotor del aerogenerador al viento. Considerando un aerogenerador con aspas de 1,06 m de radio, las que abarcan un crculo con dimetro de 2,12 m y un rea de 3,53 m2, con el viento antes sealado se producen tambin 800 Wh/da. Similarmente a como se seal en el ejemplo fotovoltaico, una mayor superficie (m2) captadora pudiera producir ms energa elctrica. Aqu debe aadirse que en el caso de la energa elica, una mayor velocidad o un perodo ms prolongado del viento tambin pudiera producir ms energa.

Al comparar los ndices de 500 y 250 Wh/m2da (expuestos anteriormente), para las energas fotovoltaica y elica, respectivamente, debe sealarse que el ndice elico puede llegar a 1 000 Wh/m2da en aerogeneradores pequeos, cuando se asume un viento de 10 m/s con una duracin de 6 h/da, lo cual puede encontrarse en varias regiones de Cuba a determinadas alturas del aerogenerador con respecto a la tierra. Bateras Tanto la energa solar fotovoltaica como la elica tienen la caracterstica de su intermitencia en la generacin. La energa solar se presenta alternativamente en el ciclo da-noche; adems, durante el da puede tener fluctuaciones debido a la nubosidad. Tambin debe considerarse que la energa solar es ms abundante en verano que en invierno. La energa elica tiene fluctuaciones durante el da o la noche y promedios de velocidades diferentes para cada mes del ao. En las regiones alejadas de la red de distribucin elctrica, para aplicaciones como escuelas rurales, consultorios del mdico de la familia, alumbrado pblico, repetidoras de televisin y radio, salas de vdeo y otras similares, puede suceder que en el momento en que se requiere la energa tal vez no exista generacin de la fuente de energa primaria (solar o elica), por lo que los sistemas autnomos (o energticamente automantenidos) requieren de un subsistema de acumulacin de energa (bateras, por lo regular). Estas bateras reciben la energa de la fuente primaria, la almacenan y despus la entregan en el momento en que se requiera. El costo de las bateras representa una parte considerable del costo total de la instalaci&te;n. Dado que pueden existir varios das seguidos sin generacin por falta de la energa primaria (das nublados o sin viento), en las bateras debe existir una reserva de energa para varios das. Por esta razn, la capacidad energtica de las bateras se puede medir segn el nmero de das de autonoma, el cual representa el nmero de das que el sistema puede continuar trabajando sin necesidad de recibir energa de la fuente primaria. Sistemas hbridos En varios nmeros de la revista Energa y t se han abordado estas dos formas de energa renovables: la fotovoltaica y la elica. El aspecto central que ahora ponemos a consideracin es el de un sistema que utilice ambas formas de energa simultneamente, es decir, el sistema hbrido elico-fotovoltaico.

Un requisito del sistema hbrido, para que su utilizacin sea preferible al sistema fotovoltaico puro, o al elico puro, es que en el sitio de instalacin exista suficiente potencial energtico para ambas fuentes primarias de energa. Una potencial ventaja del sistema hbrido sobre los sistemas puros, es que puede compensar las variaciones estacionales de los sistemas puros. Mientras el fotovoltaico puede producir ms energa en el verano, el elico pudiera producir ms energa en el invierno, por lo que aumentan considerablemente las posibilidades para lograr entre ambos, en el sistema hbrido, una suma de energa casi constante durante todo el ao. Un sistema puro tendra una estacin deficiente en el ao, mientras que el hbrido tiende a compensar el dficit de un sistema puro, con el supervit del otro. En la figura 1 se muestra un ejemplo que ilustra una posible produccin de un sistema

hbrido, comparada en verano e invierno.

Fig. 1. Distribucin estacional de la generacin de energa por tipo de fuente.

Comparacin Una caracterstica interesante del sistema hbrido es que ofrece mltiples soluciones para una demanda o solicitud de energa dada. En la figura 2 se presentan diferentes soluciones a una demanda dada de energa total, de 800 Wh/da.

Fig. 2. Distribucin de componentes elicos y fotovoltaicos en diferentes

soluciones del sistema hbrido para satisfacer una demanda de 800 Wh/da con condiciones meteorolgicas dadas.

En la primera fila se representa la solucin elica pura, y en la ltima fila, la solucin fotovoltaica pura. En las filas intermedias se representan cuatro de las mltiples soluciones hbridas, con aportaciones elicas de 75, 50, 38 y 12 % del total de la energa. En esta figura los aerogeneradores se representan esquemticamente mediante un dibujo de sus aspas, con dimensiones proporcionales a su potencia o rea, mientras que el nmero de paneles aparece por el nmero de pequeos cuadrilteros que los simbolizan. Puede observarse que existen mltiples soluciones o combinaciones elico-fotovoltaicas que ofrecen la misma respuesta de 800 Wh/da, pues en la medida en que el aerogenerador posea mayor potencia, se requieren menos paneles fotovoltaicos, y viceversa. Un anlisis importante resulta el relativo a la cantidad de bateras que debe llevar cada solucin.

La cantidad de bateras, o su capacidad energtica medida en das de autonoma, est directamente relacionada con la posibilidad de que exista un nmero consecutivo de das sin fuente primaria de energa. En la figura 2 se han considerado cuatro das de autonoma para los sistemas puros. Con esto, el sistema adquiere un grado de confiabilidad tal que soporta la posibilidad de que sucedan hasta cuatro das seguidos sin fuente primaria; sin embargo, no satisfacera la demanda si se sucediesen cinco o ms das sin fuente primaria. Tratndose de los sistemas hbridos, es menos probable que sucedan cuatro das seguidos sin sol y sin viento simultneamente, o sea, cuatro das seguidos sin cualquiera de las fuentes primarias de los dos sistemas puros, por lo que los sistemas hbridos pueden lograr mayor confiabilidad que los sistemas puros, an con la misma cantidad de bateras. O en otras palabras, los sistemas hbridos pueden lograr similar grado de confiabilidad que los sistemas puros, con un nmero menor de bateras; de ah la ventaja econmica de los sistemas hbridos. En la figura 2 se ha representado con smbolos el nmero de bateras que se debe usar en cada solucin. Para los sistemas puros se han representado cuatro bateras, que significan cuatro das de autonoma. Para las soluciones hbridas, con menos bateras se logra la misma confiabilidad de los sistemas puros, como ha sido expuesto anteriormente. En la figura 2 se sealan, adems, otras caractersticas de las soluciones hibridas mostradas, como el dimetro y modelos de los aerogeneradores, la energa de cada componente, etctera. Una desventaja econmica del sistema hbrido con respecto al elico puro, es que el hbrido tiene una componente de tecnologa fotovoltaica, y sta resulta ms costosa que la elica en regiones donde ambos recursos son abundantes. Un diseo especfico permitira determinar, para una regin dada, bajo cules condiciones las ventajas econmicas del sistema hbrido son superiores a las de los sistemas puros, y precisar, adems, cul de las mltiples soluciones hbridas es la ms econmica o conveniente de todas. En la figura 2 se ha representado tambin el balance de un da promedio. Debe considerarse que dadas las diferencias mensuales entre las dos fuentes, un diseo adecuado requiere al menos de un anlisis mensual. Tambin debe sealarse que para la comparacin se han considerado paneles de 20 W, aunque es posible, por ejemplo, en lugar de usar dos paneles de 20 W, usar uno de 40 W.

Sistema experimental En la figura 3 se muestra una foto del sistema hbrido elico-fotovoltaico instalado en el Centro de Estudio de Tecnologas Energticas Renovables (CETER). Este sistema experimental consta de ocho paneles fotovoltaicos de 37 W cada uno; un regulador de carga para 24 V; dos bateras con 12 V, 200 Ah, cada una; un inversor para entregar 110 V (CA), 60 Hz, 900 W, y un aerogenerador de potencia nominal de 50 W, similar al FURLMATIC 910 sealado en la figura 2.

Este sistema experimental sirve de base para el trabajo docente y de entrenamiento a estudiantes e ingenieros, as como para las investigaciones sobre los sistemas hbridos.Debe tenerse en cuenta que los sistemas elico-fotovoltaicos requieren de personal de mayor preparacin para su diseo y explotacin, en relacin con los sistemas por separado, as como la presencia de los dos recursos energticos naturales en suficiente cuanta para que resulte eficiente su uso.

Fig.3. Sistema hbrido elico-fotovoltaico

instalado en el CETER.

Como se expuso anteriormente, las experiencias cubanas y de otros pases indican que los sistemas hbridos elico-fotovoltaicos presentan potencialmente una mayor confiabilidad en comparacin con los sistemas elicos o fotovoltaicos por separado, al contar con dos fuentes independientes de energa primaria y estar menos expuestos a las variaciones climticas. Esta caracterstica puede traducirse como ventaja econmica, mediante un apropiado diseo y explotacin de los sistemas.

* Doctor en Ciencias Tcnicas. Profesor Titular del Centro de Estudio de Tecnologas Energticas Renovables (CETER). Miembro de CUBASOLAR.

tel.: (537) 2663637. e-mail:sarmiento@ceter.cujar.edu.cu