ENERGIASRENOVABLESY MEDIO AMBIENTE

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Volumen 2

Junio de 1997

Revista de la AsociaciónArgentina de Energía Solar

ENERGIAS RENOVABLESy MEDIO AMBIENTE

ISSN: 0328-932XVolumen 2Junio de 1997

v. Nunes, J. Cataldo y G.Casaravilla

INDICE

Evaluación de los recursos energéticos renovablesrealizada en Uruguay y su aplicación para electrificaciónrural.

L. Odicino, D. Perello y A. Fasulo 11 Estudio de iluminación en un laboratorio de laUniversidad Nacional de San Luis.

J. Franco, L. R. Saravia, R. Casoy C. Fernández

V. Tacchi y A. Monrós Nacente

1. Blasco Lucas y F. Garcés

M. Condorí y L. Saravia

M. Rivas,Piacentini,Herman

E. Rojas,E. Luccini

R.D.Y J.

C. Filipín y C. de Rosa

E. Rosenfeld, O. Ravella, C.Discoli, C. Ferreyro, J.Czajkowski, G. San Juan, Y.Rosenfeld, A. Gómez, 1. Martini yJ. Tesler

H. Grossi Gallegos

F. Ponta y C. Luna Pont

A. Coronel, O. Sacchi, V. Bisaro,M. Costanzo, M.A. Lara y S.Bischoff

17 Desarrollo de un destilador multiefecto atmosférico desuperficies inclinadas.

25 Máquina de vapor de pequeña potencia para el bombeode agua por vía solar.

33 Método de análisis microeconómico de varios tipos desistemas térmicos solares.

43 La producción de secadores invernaderos de simple ydoble cámara.

53 Dosis eritémicas solares medidas en el Norte de Chile enel solsticio de verano de 1995.

57 Eficiencia energética y emisión de gases invernadero enel parque educacional de una urbe en crecimiento.

65 PIGUR. Programa informatizada de gestión urbana yregional.

75 Acerca del campo de los promedios anuales de laradiación solar global diaria en América del Sur.

81 Alternativa para posibles aprovechamientos energéticosen canales primarios de distribución de agua para riego.

89 Pronóstico objetivo de temperatura mínima en el sur dela provincia de Santa Fe.

TI ASADESEnergías Renovables y Medio Ambiente

Vol. 2, pp. 1-9, 1997Impreso en la Argentina - ISSN: 0328-932X

TRABAJO INVITADO

EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS ENERGÉTICOS RENOVABLES REALIZADAEN URUGUAY y SU APLICACIÓN PARA ELECTRIFICACIÓN RURAL

V. Nunes, J. Cataldo y G. Casara villa.Grupo de Trabajo en Energías Renovables,

Facultad de Ingeniería, Universidad de la República,J. Berrera y Reissig 565, CP 11300 Montevideo, Uruguay

Tel:(5982) 710974, Fax (5982) 717435, E-mail electro@ iie.edu.uy

RESUMEN El Grupo de Trabajo en Energías Renovables de la Facultad de Ingeniería de Montevideo, Uruguay harealizado estudios sobre la evaluación del potencial eólico y minihidráulico de todo el país y la aplicación de estas energías yla solar fotovoltaica a la electrificación rural. Se describen las metodologías desarrolladas para la evaluación del potencial,concebidas como las más adecuadas en vista de la información meteorológica y cartográfica disponible. Para el diseño desistemas autónomos de electrificación rural, se creó un paquete de herramientas software que simula sistemas energéticos(SIMENERG). Se realizaron estudios de viabilidad y diseño de instalaciones que emplean energía solar fotovoltaica osistemas híbridos solar fotovoltaico - eólico. Se han implementado instalaciones en escuelas, puestos policiales y sanitariosque están en servicio en forma satisfactoria. Se realizó la comparación del costo actualizado de inversión y operación desistemas autónomos que utilizan energías renovables con el tendido de líneas de electrificación rural en función de ladistancia a la red eléctrica existente. Este mapa permite elegir, desde el punto de vista del usuario, la mejor tecnología para laelectrificación en la zona rural.

1. INTRODUCCIÓN

La Facultad de Ingeniería de Montevideo, Uruguay en elmarco de Convenios celebrados con la Administración deUsinas y Transmisiones Eléctricas del Estado ha realizadola evaluación del potencial y estudios de viabilidad deutilización de energías renovables para generación deenergía eléctrica.

Los estudios realizados comprenden la energía eólica, lasolar fotovoltaica y los pequeños, mini y microaprovechamientos hidroeléctricos.

La posible utilización de fuentes alternativas renovables enrégimen de cogeneración con el sistema eléctrico nacionalse presenta como muy interesante desde los puntos de vistaeconómico y ambiental. En ese sentido, está enejecución un proyecto de instalación de un aerogenerador deaproximadamente 200 kW en una zona de topografíacompleja donde las medidas realizadas y la modelaciónnumérica y física permiten esperar factores de capacidadanuales de por lo menos 35 %.

Si bien el servicio eléctrico nacional alcanza a un muy altoporcentaje de la población del país, aproximadamente el95%, existen zonas de muy baja densidad de población queestán alejadas de la red nacional, en las cuales podría sereconómicamente viable la utilización de energías renovablesen sistemas autónomos.

Existen instalaciones que satisfacen pequeños consumosrurales individuales con energía solar fotovoltaica. Tambiénse ha instalado un sistema híbrido solar fotovoltaico eólicopara un pequeño poblado y algunos otros para consumosindividuales.

2. ENERGÍA EÓLICA

2.1 Evaluación

En Uruguay, los sitios de más interés para la explotacióndel recurso eólico se encuentran en zonas de orografíacompleja donde no existen medidas de velocidad de viento.La metodología aplicada para estimar los valores horarios develocidad y dirección de viento hasta la microescalameteorológica usa una combinación de modelos numéricosy fisicos.

2.1.1. Modelo Numérico

El modelo numérico empleado para hallar el campo develocidades medias hasta la mesoescala meteorológica esdel tipo de conservación de masa.

El modelo tiene como datos de entrada las series históricasde velocidad media obtenidas en las estacionesmeteorológicas situadas en la zona en estudio.

Se calcula la velocidad media del viento en cada nodo deuna grilla de aproximadamente 10 km de paso definida endicha zona. Las velocidades medias calculadas en la formamencionada se utilizan como condición de borde pararesolver el flujo a una menor escala.

El algoritmo que relaciona los datos con los resultados es detipo lineal (ecuación de Poisson). Como ya se señaló, losdatos utilizados son los obtenidos en estacionesmeteorológicas. Una primera peculiaridad que presentanestos métodos es que los datos se conocen en el interior delvolumen de cálculo y no en la frontera. Como es usual lamedida de velocidad de viento en estaciones meteorológicasse realiza cada hora. Sea el vector de viento

con u y v las componente oeste-este y sur-norte del vientomedio en la estación i, de las N consideradas, en el instanteL J: Aplicando el modelo mencionado para cada instante alconjunto de datos considerado sería posible determinar elviento en cada nodo de la grilla definida antes.

Con el objetivo de disminuir el tiempo de cálculo, enprimera instancia, se aplicó la metodología de los PatronesPrincipales para resolver el flujo a la mesoescalameteorológica. En primer lugar se considera el conjunto dedatos para cada instante L j ordenado en la siguiente forma

generándose un vector con 2N componentes. Se elige labase del espacio de RZN formada por los patronesprincipales, el' ez, , eZN' Tales vectores se calculan comolos vectores propios de la matriz de correlación del conjuntode datos. Físicamente tales patrones representan o bienestados reales de la atmósfera o bien ruido introducido pormediciones defectuosas. Cada vector X j se podrá escribir

como una composición vectorial de los vectores de la baseformada por los patrones principales

El modelo numérico se aplicará entonces a cada uno de lospatrones principales. Cabe señalar que cada par decomponentes u, v de los patrones principales representan unviento ficto. Suponiendo dicho viento ficto como dato secalcula el viento resultante en cada nodo de la grilladefinida. Es decir que el patrón eK producirá en el nodo s unvector de velocidad de viento

Como ya se señaló el algoritmo de cálculo es lineal por loque el vector velocidad de viento en el nodo s y en elinstante L j se calcula como

Es posible mostrar que la reconstrucción de la serie históricadel parámetro velocidad media del viento puede serrealizada con aceptable precisión si se utilizan sólo aquellospatrones principales que representan estados sinópticos de laatmósfera.

Se obtuvo, para todo el territorio nacional, las curvas iso-velocidad media del viento para vientos de llanurautilizando para la reconstrucción de las series históricas sólolos patrones principales más significativos. Asimismo, seobtuvo las curvas de iso-factor de capacidad para vientos dellanura utilizando para el cálculo la curva característica deun aerogenerador marca NORDT ANK modelo 150.

Cabe señalar que la metodología de los patrones principalesfue utilizada además con particular éxito en la evaluación decalidad de los datos, así como en el rellenado de huecosexistentes en las series obtenidas en algunas estacionesmeteorológicas. Detalles de tales aplicaciones se encuentranen López (1992).

2.1.2 Modelofisico.

La resolución del flujo a la rnicro-escala meteorológica serealizó utilizando la técnica de la modelación fisica. Estoimplica simular el viento atmosférico y la topografia de lazona de estudio en un túnel de viento.

El viento atmosférico fue simulado en condiciones de"vientos fuertes" en el túnel de viento de la Facultad deIngeniería. El método utilizado para realizar la modelaciónfue la inicialmente presentada en Counihan (1969) y luegoen Robins (1983). Los elementos que se interponen en lacorriente de aire para lograr el flujo similar al vientoatmosférico, son una grilla de los llamados generadores devorticidad de cuña elíptica y una barrera corriente arriba dela grilla.

La correcta simulación del viento atmosférico se verifica enuna posición inmediatamente corriente arriba del modelo,para lo cual se caracteriza la distribución en altura de lacomponente media de la velocidad media, la distribución enaltura de la intensidad de turbulencia longitudinal, elespectro de potencia de la componente fluctuante de lavelocidad y la distribución vertical de la escala delongitudes integrales de la turbulencia. La escala geométricade la simulación fue determinada a partir de lascaracterísticas geométricas del flujo, resultando 1/6000.

Las zonas de topografia compleja modeladas se eligieroncirculares de 6 km de diámetro. Para su selección se tuvo encuenta que estuvieran en las regiones en que se presentabanlas mayores velocidades de viento medias en llanura,topografía favorable y cercanas a la red eléctrica y acaminos de acceso. En la figura l se presentan las zonasseleccionadas.

En la figura 2, se presentan los sitios específicos dentro deuna zona donde se realizará la evaluación. En cada uno deesos sitios se supone que existe un aerogenerador. Losensayos consisten, por un lado, en determinar la relaciónentre la velocidad media del viento en cada sitio de interés yla medida en un punto ubicado inmediatamente aguas arribade la zona. Por otro lado se mide también la intensidad de

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turbulencia en cada sitio. Estas mediciones se realizan paradiferentes direcciones de viento. Cabe señalar que losresultados obtenidos permiten realizar una depuración de

Fig.1.- Zonas estudiadas: 1 Pirial , 2 Piria Z, 3 Animas,4 Fromento, 5 Eden, 6 Caracoles, 7 Cañas, 8 Aiguá,

9 Mariscala.

los sitios de interés, descartándose aquéllos que presentenbajo incremento de velocidad' media o alta intensidad deturbulencia

2.1.3 Reconstrucción de la serie histórica en cada sitio

La velocidad media calculada con el modelo numérico esutilizada como condición de frontera para el modelo fisico.Multiplicando la serie histórica obtenida mediante cálculopara la frontera de la zona considerada por los coeficientesde incremento de velocidad obtenidos a partir de la medida

SIERRA DE CARACOLES

Fig.2.- Topografía de una zona estudiada.

en el modelo fisico, se obtiene la serie histórica delparámetro velocidad de viento en cada sitio de interés.

Cabe señalar que el resultado obtenido de la forma descritasería equivalente a lo medido por un anemómetro ubicadoen cada sitio, el cual debería permitir obtener un registro apartir del cual se pudiera caracterizar la turbulenciaatmosférica.

Para terrenos de topografia compleja los factores deincremento de velocidad media obtenidos alcanzaronvalores de 1.62.

A partir del resultado obtenido mediante esta metodologíaes posible analizar el recurso eólico en la zona.

Dentro de los estudios realizados para la instalación deparques eólicos industriales se identificaron varias zonascon potencias de por lo menos 100 MW cada una, calculadaa partir de las características de potencia en función de lavelocidad de viento de aerogeneradores industriales.

2.1.4 Verificación de la metodología

La metodología aquí presentada fue contrastada conmediciones realizadas en campo por la Dirección Nacionalde Energía. Tales medidas se realizaron siguiendo laestrategia de medidas de corta duración, por lo que laverificación se realizó en períodos de hasta 6 meses.

Los cálculos, a estos efectos, se realizaron utilizando comodatos las medidas efectuadas en estaciones meteorológicasen los mismos períodos de tiempo en los cuales se realizaronlas medidas en los sitios de interés. La modelación fisicaimpone restricciones en la cantidad de direcciones que esposible ensayar. A los efectos de la comparación seeligieron las medidas en campo cuyas direcciones secorrespondían con las direcciones ensayadas.

Se encontró que la diferencia entre la media anual calculaday la medida siempre fue inferior al 8 %. En todos los casos,los valores obtenidos siguiendo la metodología desarrolladasubestimaron a las medidas realizadas en campo.

2./.5 Estimación de /a interferencia aerodinámica

Como ya se señaló la metodología desarrollada permiteobtener el mismo resultado que se obtendría en cada sitio deinterés ubicando un anemómetro cuyo registro permitieracaracterizar la turbulencia atmosférica. Para el cálculo de laenergía que es posible obtener del parque es necesarioestimar las pérdidas de potencia. En general las pérdidasdependen fuertemente de la disposición relativa de losaerogeneradores. La interferencia aerodinámica esresponsable de una parte de las pérdidas. Esta interferenciase debe a la alteración que produce el rotor de losaerogeneradores sobre el flujo atmosférico. El intercambiode potencia en el rotar de los aerogeneradores produce undéficit de velocidad media, el cual desaparece a medida queaumenta la distancia flujo abajo del aerogenerador. Si esteflujo perturbado encuentra otro aerogenerador, la potenciaque generará éste será menor a la que produciría si incidierael viento sin perturbar.

La evaluación de la interferencia aerodinámica se realizóutilizando modelos numéricos. Un primer modelocaracteriza el flujo corriente abajo del rotor delaerogenerador. Un segundo modelo numérico, utilizando elresultado anterior, calcula el déficit de velocidad mediaaguas arriba de cada aerogenerador producido por todos losdemás.

Cabe señalar que tales modelos fueron obtenidos a partir de

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un Convenio de intercambio con la Universidad Politécnicade Madrid y financiado por el Instituto de CooperaciónIberoamericano.

3. PEQUEÑOS, MINI Y MICROAPROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS

La energía hidroeléctrica disponible en gran escala en elpaís ha sido utilizada en su casi totalidad: en el Río Uruguayen la represa binacional de Salto Grande y en el Río Negrocon tres represas de las cuales la situada más aguas arribadispone de un embalse regulador de grandes dimensiones.

Este conjunto satisface en la actualidad más del 80% de lademanda de energía anual.

En la evaluación realizada por la Facultad de Ingeniería seconsideraron sólo los posibles aprovechamientoshidroeléctricos de potencia hasta 5 MW.

3.1 Evaluación

En el estudio realizado tuvo un papel protagónico el censode potenciales usuarios y el análisis preliminar de sitiosrepresentativos de las diferentes soluciones técnicasadecuadas a la diversidad de condiciones topográficas y dedemanda.

La disponibilidad de agua en cada cuenca se evalúa usandolos datos de precipitación mensual obtenidos del ServicioMeteorológico Nacional y de los coeficientes deescurrimiento ajustados para cada condición del terreno.

La distribución espacial de la precipitación se presentó enun mapa de isoyetas de precipitación media efectivamensual, calculada a partir de los coeficientes deescurrimiento y de los datos de 100 pluviómetros, lamayoría de los cuales tiene registros de más de 70 años. Enla figura 3 se muestra dicho mapa.

Fig. 3.- Isoyetas de precipitación media mensual, mm.

Si se consideran potencias menores a I MW o menores a100 kW (mini o micro aprovechamientos), la informacióndisponible en mapas con curvas de nivel, inclusive en los deescala 1:50.000, no es suficiente para identificar los sitiosmás adecuados, siendo indispensable en estos casos elconocimiento del lugar. Se realizó el anteproyecto de

diversas instalaciones.

Para potencias mayores de 1 MW y hasta 5 MW (pequeñosaprovechamientos hidroeléctricos), se evaluó el potencial degeneración en todo el país, caracterizando los sitios según lalongitud y altura del cierre y el caudal a turbinar, a través deun coeficiente que relaciona volumen del lago con lapotencia a instalar.

A partir de cartas hipsográficas 1:500.000 con curvas denivel cada 50 m se identificaron 107 puntos de localizaciónde microrepresamientos, a partir de los cuales se trazaron lascurvas de iso potencia. El área encerrada por dichas curvaspermite calcular el potencial de generación en cada rango depotencia. En la figura 4 se ven las curvas isopotencia paraIMW en todo el territorio nacional.

Fig 4.- Curvas isopotencia para 1MW.

En la figura 5, se indica para cada rango de potencia elnúmero de puntos y la potencia estimada así como el áreainvolucrada.

Area Potencia Puntos(Km") (MW)

IMW 47704 55.2 552MW 38073 44.8 223MW 44375 52.2 174MW 39739 46.7 II5MW 8698 10.2 2Total 178598 209.1 107

Fig.5.- Potencial de generación.

De la metodología seguida, ajustada a la informacióncartográfica disponible en el país, no se puede esperar ungran desarrollo de la generación hidroeléctrica a no ser quela misma se realice en el marco de un desarrollo económicoglobal de una región. La realización de un embalse seríafactible si el mismo es compartido para otros fines talescomo: riego, abastecimiento de agua potable, control de

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crecidas. El uso múltiple justificaría no solo la inversiónsino también el efecto sobre el medio ambiente que producela inundación de tierras.

4. SISTEMAS AUTÓNOMOS PARAELECTRIFICACIÓN RURAL

El área no electrificada del país corresponde al medio rural.Su topografia es medianamente ondulada sin accidentesgeográficos relevantes. Está casi exclusivamente dedicada ala explotación pecuaria tradicional, actividad que norequiere un uso intensivo de la energía eléctrica. Por lotanto, los problemas de abastecimiento de energía que sepresentan corresponden a consumos individuales o de muypequeños conjuntos de viviendas situados a grandesdistancias entre sí y de las redes de distribución existentes.

El consumo domiciliario típico rural es de aproximadamente100 kWh/mes con densidades que van desde 30 a 5km/usuario lo que hace inviable económicamente laconexión al sistema de distribución.

La experiencia ha mostrado que, en medios decaracterísticas como las descriptas, no es cierto que por elhecho de disponer de energía eléctrica el consumo porusuario aumente más allá del inicial estimado, por lo menosen el mediano plazo.

Las opciones que se presentan como más atractivas parasatisfacer estas demandas son: sistemas fotovoltaicos,sistemas eólicos y la combinación de ambos.

A estas opciones se agrega el uso de energías hidroeléctricasen pequeños, mini y micro aprovechamientos.

4.i instalaciones existentes

El Grupo de Trabajo en Energías Renovables realizó elasesoramiento para un programa de electrificación deescuelas, puestos policiales y sanitarios alejados de la redeléctrica nacional, con numerosas instalaciones enfuncionamiento utilizando energía solar fotovoltaico.

Los consumos previstos en cada una de esta instalacionesindividuales fueron iluminación, utilización de mediosaudiovisuales, bombeo de agua, equipos deradiocomunicación y de refrigeración. Estos últimos, sólopara los puestos sanitarios.

La experiencia obtenida en su funcionamiento fue muybuena. Está en curso un nuevo programa de electrificaciónpara usuarios con pequeños consumos de característicassimilares.

Asimismo, existe un buen número de instalacionesrealizadas de forma privada para pequeños y medianosconsumos individuales.

En Polanco, en el centro del país, está en servicio unsistema híbrido eólico solar-fotovoltaico con tresaerogeneradores de 10 kW cada uno y tres campos de 27paneles solares 48 Wp cada uno, que alimenta un pequeñopueblo construído por la Comisión Honoraria para laErradicación de la Vivienda Rural Insalubre (MEVIR). Este

Proyecto fue financiado por la Comunidad Europea.

La experiencia obtenida hasta el momento en Polanco no hasido totalmente satisfactoria debido a que no se haencontrado una forma de asegurar un correctomantenimiento de las instalaciones. Por razones delimitación de presupuesto, el aporte de energía solarfotovoltaica ha sido insuficiente lo que ha dificultado laoperación. Posiblemente, se realice una reingeniería de lainstalación a la luz de las dificultades encontradas.

4.2.Estudios realizados

4.2.i Sistemas viento diesel

Algunas ciudades pequeñas del país tienen todavía unsistema autónomo con generador diesel para alimentar sured eléctrica. Se realizó el estudio de dichos sistemas convistas a instalar generadores eólicos constituyendo unsistema viento-diese!.

Lamentablemante, los valores de energía eólica disponibleen esos lugares, calculada a partir de modelación numérica yen algunos casos fisica, no justifican las inversionesrequeridas por la instalación de aerogeneradores.

4.2.2. Microaprovechamientos hidroeléctricos

Se realizó el anteproyecto de varios microaprovechamientosen lugares cercanos a pequeños poblados o enrepresamientos existentes. En cada caso, se analizó la obracivil a construirse, el tipo de turbina, el generador y laregulación del grupo turbina - generador. En algunos casos,podía realizarse la conexión a la red y en otros, se establecíaun sistema autónomo. Esto condiciona las características delequipamiento eléctrico necesario.

Realizando un estudio de factibilidad, sólo resultaronviables aquellos emprendimientos que utilizabanrepresamientos existentes o estaban ubicados en lugaresdonde las características topográficas eran muy favorablespara realizar un represamiento de bajo costo.

5. DISEÑO DE SISTEMAS AUTÓNOMOS:SIMENERG

SIMENERG (Chaer et al, 1993) es un paquete deherramientas software que simula sistemas energéticos y quees especialmente útil en la evaluación y el diseño desistemas autónomos.

La calidad de servicio y otros aspectos del sistema puedenser evaluados simulando muchos años de su vida útil.También, dejando libres algunos de los parámetros dediseño y eligiendo una función de costos se puede optimizardichos parárnetros para minimizar el costo garantizando unadisponibilidad de energía dada en el sistema con unaconfiabilidad determinada.

SIMENERG permite construir simuladores eficientes de lossistemas energéticos en estudio. Siendo un conjunto abiertode herramientas, el usuario puede, siguiendo la filosofia delsimulador, modificar y agregar herramientas sin límite. Los

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simuladores creados por SIMENERG son sustancialmentedespachos de carga que usan un criterio basado en oferta ydemanda de paquetes de energía cada uno con su precio. Lastransacciones se deciden en intervalos de tiempo dados.

El Indice de Calidad de Servicio (ICS) de cualquier sistemaeléctrico se mide evaluando la magnitud y la frecuencia delas interrupciones de energía que ese sistema tiene en eltranscurso de un período de tiempo dado, usualmente unaño.

Para un sistema autónomo de pequeño tamañoprácticamente esta medida corresponde al funcionamientode la fuente. En el caso de las energías renovablesconsideradas en este estudio, las fuentes tienen un altocomponente de aleatoriedad en sus valores instantáneos loque obliga necesariamente a manejarse con técnicasestadísticas. Para cada fuente (irradiación solar, velocidaddel viento, caudales de agua) se construyó una "fuente"sintetizadora de valores horarios que se correspondenestadísticamente con series de datos reales. La cantidad deaños que deben ser simulados debe ser tal que el estadísticode resultados obtenido sea representativo. De esta forma esposible evaluar el déficit que el sistema bajo estudiopresenta año a año y crear un estadístico de déficit. Luego sepodrá calcular la probabilidad que existe de que un ciertodéficit anual no sea superado.

En consecuencia, la medida del índice de calidad de servicioestará dada por la esperanza de que el déficit de energía nosupere un cierto valor en días.

Para una idéntica energía diaria, dos sistemas pueden re-sultar sustancialmente diferentes en el porte del sistema degeneración (por ejemplo número de paneles y de baterías enun sistema solar fotovoltaico) si se varía el índice de calidadde servicio en ordenes de magnitud de 5 días al año conesperanza del 90 %.

Se han desarrollado paquetes para aplicaciones específicascomo HIBRID que simula sistemas basados en panelessolares, un aerogenerador y un banco de baterías o elsimulador de sistemas viento-diesel autónomos.

5.1 Modelado del recurso solar

Se implementó una metodología a seguir en el modelado delrecurso solar para la construcción de sintetizadores de seriesde radiación solar con el mismo andamiento (desde el puntode vista estadístico) que las series dato utilizadas para elmodelado.

Al disponer de un sintetizador de series de radiación, esposible realizar la simulación de un sistema sometiéndolo aun gran conjunto de series y obtener así resultados queindican el desempeño del sistema en forma estadística. Porejemplo, calcular índices tales como la probabilidad de queel déficit energético anual de un sistema dado seá inferior aun determinado porcentaje de la demanda.

El enfoque utilizado es más sencillo que los clásicossintetizadores basados en la identificación de lasprobabilidades de cambio de estados en una cadena deMarkov, mostrando sin embargo un buen desempeño para el

propósito deseado.

El modelado del recurso solar, se realizó sobre la base deocho años de medidas de la radiación global diaria deenergía en plano horizontal. Estos ocho años de medida sonsuficientes para muchos propósitos de diseño, pero puedenresultar insuficientes para evaluar índices de desempeño deun sistema dado en forma estadística.

Se construyó un "generador de años de sol" que conserva lascaracterísticas fundamentales de los ocho años de medidasreales, agregando la variedad necesaria para lograrindicadores estadísticos significativos.

La información que se está agregando al realizar el"generador de años de sol" es la que se corresponde con laintuición cotidiana en el sentido de que la secuencia de díasnublados y claros puede correrse en el tiempo, manteniendosu característica relativa. El estado nublado o claro de un díaestá fuertemente influído por los días anteriores.

Del relevamiento de los datos de iluminación en planohorizontal de energía global se obtiene una distribucióncomo la indicada en la figura 6 para un año dado.

Global diaria lobr. pl,no l'Iorlzont.1

.00

'00

oo.

.01

C,lIca2 UI

'",,.'"

1'" 1110 daU. Octubr. dlllI.

Fig.6.- Año de medidas.

En el modelo utilizado, la energía global recibida en planohorizontal en el día d del año se expresa por una expresiónde la forma:

donde d indica el día del año, Ed es la energía recibida el díad, A, B y C surgen del desarrollo de Fourier de los datosreales mientras que rd es una variable aleatoria diaria quesimula la nubosidad. Conceptualmente es un "ruido" de laseñal.

Del estudio de los datos reales surge que es posibleconsiderar A, B y e como constantes, dado que, presentanuna dispersión despreciable para los ocho años de medidasdisponibles. Sus valores surgen de esa historia.

En consecuencia es posible generar una fuente de años deenergía luminosa en plano horizontal considerando lasdistribuciones posibles de rd:

De esta manera, una vez determinados los valores de A, B ye, se evalúan los valores de r d a partir de los datos reales (8años) utilizando la ecuación:

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rd = Ed/( A + B*sen(2 *1tj365*d +C))-ldonde Ed son las medidas diarias reales de energía incidentepara cada año.

Con estos valores de r d: (2920 valores en los 8 años) seconstruye una fuente aleatoria randómica con una memoriaapreciable de 3 días, valor éste que resultó consistente conlos análisis de correlación efectuados. La fuente aleatoria seconstruyó sencillamente colocando todos los valores enorden cronológico en un anillo del cual se leen en formaconsecutiva tres valores (3 días) y luego se saltaaleatoriamente a cualquier otra posición.

De esta manera, se tiene para cada año simulado valores deEd, flujos de energía luminosa global en plano horizontal,los cuales son transformados a plano inclinado para unángulo dado, utilizando indistintamente los métodos de Liu-Jordan, Perez y HDKR.

Interesa agregar que se realizaron medidas de campodurante algunos meses del flujo en plano horizontal y enplano inclinado (45°), a los efectos de compararlos con losvalores calculados por la transformaciones antesmencionadas. El análisis de los datos mostró que lastransformaciones a plano inclinado propuestas sonsuficientes a los efectos del diseño de los sistemas.

Finalmente se tiene en cuenta la dispersión geográfica de losflujos luminosos para un día dado en el país. A estosefectos, se realizó un mapa del Uruguay con el promediomensual de los valores medios de los flujos luminosos,calculándose coeficientes a aplicar a la fuente para unaubicación geográfica dada de forma de convertirla al puntodonde se realizará la instalación.

5.2 Diseño de un sistema híbrido solar fotovoltaico - eólico

Se realizó el diseño de un sistema híbrido para alimentar lasinstalaciones de un lugar de reserva de fauna y flora en lazona de humedal es al este del país. Teniendo en cuenta lasclaras connotaciones eco lógicas del lugar, durante el diseñose tuvo presente el impacto visual que representa el eventualaerogenerador por lo que se estudiaron diversas ubicacionesy alturas de aerogenerador, llegándose incluso a considerarla eliminación del mismo.

El perfil de carga anual, teniendo en cuenta el usoestacional del lugar, se previó durante los tres meses deverano y en los meses previo y posterior al mismo conconsumo nominal y del 10% de éste durante el resto del año.

El consumo medio diario es de 2.8 kW h con un 70 % encorriente alterna correspondiendo la mitad al centro derecepción (equipo multimedia, TV y video) y 20 % a una delas bombas para agua.

En primera instancia, se eligió la ubicación óptima delaerogenerador de acuerdo con la topografia y los vientospredominantes. En este lugar se instaló a 12 m de altura unregistrador que midió los datos de vientos durante dosmeses. Luego, en base a datos históricos en estaciones

meteorológicas cercanas y a registros de dichas estacionesen simultaneidad con los registrados en el sitio, se generópor correlación un archivo anual de viento esperado en ellugar inicialmente selecionado y a 12 m de altura.

Posteriormente, se eligió, de acuerdo a criterios de impactovisual, el lugar definitivo para el cual se determinó unapérdida de 13% de velocidad de viento a la altura de 12 men base a un estudio de rugosidad aguas arriba delaerogenerador. Para recuperar la energía perdida por estacausa se debería elevar el molino a 18 m en vez de los 12 mde altura del lugar óptimo.

Se analizaron dos configuraciones para a 12 m y 18 m, concoeficientes de speed-up de 1 y de 0.87 respectivamente.

Se destaca que el diseño de sistemas hibridos presenta engeneral diversos aspectos a tener en cuenta de tipo social,cultural, técnico, económico y eco lógico.

Para el diseño fisico se empleó el software HYBRlD 95, unaversión de SIMENERG aplicada a sistemas híbridos. Loscomponentes simulados fueron distintos tipos deaerogeneradores con dos alturas de torre de 12 y 18 m, delos que se conoce la característica potencia-velocidad deviento, paneles solares de 50 Wp considerados de a paresdado que la tensión elegida fue de 24 V Y bateríaslimitándose su capacidad entre 200 y 500 AH en intervalosde 40 AH. Los otros componentes del sistema se eligieronentre los equipos estandard del mercado. En particular,reguladores de probado desempeño en los cuales se cuide alas baterías en forma racional.

En la figura 7, se muestra como uno de los resultado de lasimulación, las zonas de igual calidad de servicio. Cadazona, avanzando del extremo superior derecho hacia abajo,representa un día de deficit energético anual comenzando de0-1 día.

Para los sistemas propuestos, se obtuvo la tabla que seindica en la figura 8, con la consigna de una calidad deservicio de 3 a 4 días por año de déficit.

Se eligió la solución de menor costo con un aerogeneradorWhisper 1000 con torre de 18 m de altura, cuatro panelesfotovoltaicos de 50 Wp y bateria de 380 AH.

Con el mismo aerogenerador y una torre de 12 m de altura,lo que mejora el impacto visual, el costo es 18 % más caro.Sin generación eólica, el costo se incrementa en 75 %.

Es de destacar que los costos listados corresponden alsistema de generación y acumulación, restando considerarlos costos de instalación eléctrica, protecciones, inversores,bombeo, reguladores, lámparas, luminarias y mano de obra.Estos costos se estudiaron en detalle obteniéndose un valorestimativo de 5500 U$S.

6. MAPA PARA LA ELECCIÓN DE LA MEJORTECNOLOGÍA DE ELECTRIFICACIÓN RURAL EN

URUGUAY

Se ha considerado distintos diseños para electrificación rural

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para diferentes niveles de demanda supuestos, en primeraaproximación, de valor constante en Wh/día.

Se realizó la evaluación en 20 años de cada solución usandouna tasa de 5 % Y un índice de calidad de servicio de 7 días.

anual de velocidad de 5.6 mis, típico del sur del país, y de3.3 mis típico del norte del país.

Los sistemas unifilares con retorno por tierra de 15 kV detensión nominal considerados son de diseño muy económico

AH

Fig. 7.- Zonas de déficit constante, Whisper 1000, 18 m.

Aerogenerador Alt. Wpico AH Costotorre panel bato U$S

Whisper 1000 18 200 380 8400Whisper 1000 12 300 440 9900Whisper 600 18 300 440 9400LMW 1003 18 100 260 10500LMW 1003 12 100 440 11400LMW600 18 300 500 14100BWC 1500 18 300 380 14300

Sistema sinaerogen. 1000 440 14700

Fig.S> Resultados de la simulación, paneles y bateríasa24 V

Este último es evaluado simulando unos 200 años decomportamiento del sistema computando para cada año lacantidad de días sin servicio por falta de disponibilidad deenergía y realizando un histograma de esos valores. Elíndice es el valor con 90 % de confianza en el histograma.

Los distintos diseños en consideración son: sistemasfotovoltaicos e híbridos y las líneas unifilares con retornopor tierra conectadas al sistema nacional. En los sistemasfotovoltaicos, el número de paneles solares y la capacidadde la batería para cada nivel de demanda se obtuvo porsimulación incluyendo una optimización para minimizar elcosto cumpliendo la restricción impuesta por el indice decalidad de servicio. En la figura 9 se da el resultado para losdiseños óptimos.

En los sistemas híbridos se realizó la misma optimizaciónempleando los modelos de aerogeneradores disponibles consus valores de potencia nominal.

Los cálculos se realizaron para vientos con un valor medio

Demanda Baterías Paneles CostoWh/día AH 48Wp U$S

100 100 1 1160200 150 2 2090300 200 3 3020400 250 3 3250500 350 4 4410600 400 5 5340700 450 6 6270800 550 7 7430

Fig.v-Diseño óptimo de sistemas fotovoltaicos.

dados los muy pequeños niveles de demanda. En estediseño, cuyo costo es de 1100 U$S/km, el conductor es deacero cincado y los postes de madera, espaciados 200 m.

Dado que la evaluación de realizó desde el punto de vistadel usuario el costo de la energía es sólo el de la consumidasin incluir las pérdidas.

En la figura 10, se muestra el mapa de comparación detecnologías que permite para cada nivel de demanda ydistancia por usuario (kmlusuario) en el tendido de líneasaéreas de 15 kV.

Las curvas denominadas se 3.3 y se 5.6 corresponden a lossistemas con energías renovables más económicoscorrespondientes a las velocidades medias anuales de vientode 3.3 y 5.6 mis. Las otras curvas paralelas entre sícorresponden a las líneas unifilares de distintas longitudes.

Por ejemplo, para un lugar con baja velocidad de viento (3.3mis) y una distancia de 15 km a la red de distribución, elsistema con energía renovables es más económico para

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km/UsuarioComparación de tecnologías

35000. • 11 11 11 11 11 11

30000~

25000 __m--B---&---m---m--:~""CI II=:~--.-10

-0-15

-fll-20

-0-25

--.-30

_se3.3Il_se5.6¡

(J)

<f>2 15000 J.------.¿~ •.....•~~

11 11 11 11 11 11

1500 35002500

Consumos en [Wh/díal

Fig.iO.- Comparación del costo actualizado de inversión yoperación para el Usuario.

niveles de demanda que no superen el valor de 2200Wh/día.

7. CONCLUSIONES

A partir de los estudios realizados de evaluación delpotencial en energías renovables y de su aplicación a laelectrificación rural y a la suma de los resultadosobtenidosen la operación de las instalaciones existentes,surge que si bien el campo de aplicación de estastecnologías en Uruguay es muy interesante desde los puntosde vista técnico y social.

Según los resultados de los estudios de evaluación delpotencial eólico nacional ya realizados, la utilización de laenergía eólica en gran escala tiene buenas perspectivas. Lainstalación de un aerogenerador de 200 kW comoexperiencia piloto que está en curso permitirá obtenerinformación aplicable a la posible instalación de parqueseólicos industriales

REFERENCIAS

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Briozzo c., Casaravilla G., Chaer R., Oliver J.P., SimEnerg:The Design of Autonomous Systems. World RenewableEnergy Congress, Denver, EEUU, 1996.

Cataldo, J., Simulación fisica de flujos tipo Capa LímiteAtmosférica, Tesis de M. Sc., Facultad de Ingeniería,Montevideo, Uruguay, 1992.

Counihan, J., An improved method of simulating anatmospheric boundary-layer in a wind tunnel, Almos.Env., pp. 197-214, 1969.

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López C, Predicción de la serie temporal del campo develocidades de viento sobre topografia compleja:Aplicación a la zona sur del Uruguay, Tesis de M.Sc.,Facultad de Ingeniería, Montevideo, Uruguay, 1993.

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Zeballos R., Casaravilla G., Chaer R., Oliver J., PlanchonE., Normey R., Duomarco J., Zimberg B., Aplicacióndel recurso solar en la implementación de alternativaspara la electrificación rural en el Uruguay, Informe finaldel Convenio con UTE, Julio 1994.

Chaer R.,en zonas de

de caudal

ASSESSMENT OF RENEW ABLE ENERGY RESOURCES IN URUGUAY AND ITSAPPLICATION TO RURAL ELECTRIFICATION

ABSTRACT, This paper presents the up to date studies carried out by the Renewable Energy Workgroup, Republic Schoolof Engineering in Montevideo, Uruguay. The potential of wind and mini and micro hydroelectrc energy was assessed in thewhole country. The application to rural electrification ofthese energies, as well as the solar-photovoltaic energy was studied.The methodologies deveIoped to assess this potential are described. They were conceived as the most suitable to themeteorological and cartographical data available. To design autonomous systems for rural electrification, a set of softwaretools were developed (SIMENERG). This set performs the simulation of energetic systems. Feasability studies andinstallation designs using solar photovoltaic energy or solar photovoltaic- wind hybrid systems were carried out. Numerousinstallations of these types in schools and police stations far away from the electrical grid are in service and with goodperformance. A comparison of investment and operating cost between different autonomous systems that use renewableenergies and the cost of installation of overhead rural electrification lines as a function of the distance to the electric networkwas done. The resulting map allows to choose from the user s point of view the best technology for rural electrification.

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