i UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR COORDINACIN DE INGENIERA ELCTRICA GENERACIN ALTERNATIVA PARA ANTENAS REPETIDORAS DE TELECOMUNICACIONES UBICADAS EN ZONAS REMOTAS POR JUAN DO NASCIMENTO FERNANDES INFORME DE PASANTA PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA ( TOMO I ) Sartenejas, diciembre del 2.006 ii UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR COORDINACIN DE INGENIERA ELCTRICA GENERACIN ALTERNATIVA PARA ANTENAS REPETIDORAS DE TELECOMUNICACIONES UBICADAS EN ZONAS REMOTAS POR JUAN DO NASCIMENTO FERNANDES TUTOR ACADMICO: PROF. ELMER SORRENTINO TUTOR INDUSTRIAL: ING. JESS DIEZ INFORME DE PASANTA PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA Sartenejas, diciembre del 2.006 iii GENERACIN ALTERNATIVA PARA ANTENAS REPETIDORAS DE TELECOMUNICACIONES UBICADAS EN ZONAS REMOTAS POR JUAN DO NASCIMENTO FERNANDES RESUMEN En el presente trabajo se hizo un estudio de las posibles soluciones para generacin de energaelctricamediantemtodosalternativosconelfindesuplirlademandadelas antenasrepetidorasdeCANTV-Movilnetquesedeseenubicarenzonasfueradel alcancedelserviciodelasempresasdedistribucinelctrica.Unrequerimiento fundamentaldelaempresaeseliminarladependenciadeuneventualdespachode combustible,loquederivendescartarlageneracinelctricamediantemotoresde combustin interna y mediante celdas de combustible (celdas de hidrgeno). Se hizo una estimacin del ciclo de carga diaria de las antenas repetidoras y se evalu el uso de tecnologas fotovoltaicas, elicas e hbridas (elica - fotovoltaica). Por otra parte, se investig sobre los recursos elicos y solares disponibles en la Isla La Tortuga. La evaluacin de las diversas opciones se realiz primero mediante el uso de un sofware denominadoHomer,elcualpermitesimularlasposiblessolucionestcnicas, incluyendo el modelo hbrido (elico - fotovoltaico). Se realiz una comparacin inicial delasdiferentessolucionesobtenidasconelusodelsofwareHomerysedetermin que2aerogeneradoresde1kWconunbancodebaterasde800Aheralamejor solucin.Estasolucinfuetambinsimuladamedianteunsofwareparaanlisis econmicodeproyectosdegeneracinelctricaalternativa,denominadoRetScreen, para obtener un estudio econmico detallado que, adems, es comparado con la solucin tradicional para este tipo de sistemas (mediante motores de combustin interna). iv AGRADECIMIENTOS AlProf.LusRojas,quienestambintutordelpresentetrabajo,porsuapoyo incondicional y constantes aportes significativos. El Prof. Rojas desde el comienzo de la investigacin fue la persona que motiv el uso de los sofware RetScreen y Homer y le dio seguimiento al desarrollo de este trabajo an estando fuera del pas. AlProf.ElmerSorrentino,quienesunexcelenteprofesional,porasesorarmeenla maneraglobaldeenfocareltemaymotivarmefuertementeahacerdeestetrabajode investigacin una referencia obligada para futuras investigaciones. AlIng.DanielMadsereihan,quienconfienmiprofesionalismoymebrindla oportunidad de formar parte de la corporacin CANTV-Movilnet. AlaAsistenteZulyMoreno,porsuayudaincondicionalentodoslostramites administrativos y auxiliarme en un sin fin de ocaciones. AlIng.JessDiez,quienentodomomentomanifestespecialintersenmitrabajoy puso todos los recursos necesarios a mi disposicin. Gracias por su trato cercanoy sus concejos. A los ingenieros de la gerencia de energa de Movilnet (Ailn, Alrio, Jorge y Reinaldo), quienes constantemente me transferan sus conocimientos, me apoyaban en mis ideas y me hicieron sentir parte de su familia de trabajo. A mis familiares, los que me dieron fuerzas para superar los obstculos y por brindarme lo ms importante de la vida, un hogar. v NDICE GENERAL: RESUMEN...iii AGRADECIMIENTOS...iv NDICE GENERAL.v NDICE DE FIGURASviii NDICE DE TABLAS..xi 1.Captulo 1: Introduccin..1 2.Captulo 2: Descripcin de la empresa y objetivos del trabajo....4 2.1. Descripcin de la empresa4 2.2. Objetivos del trabajo.6 3.Captulo 3: Introduccin a las Tecnologas de Generacin Alternativa..8 3.1. Aerogeneradores...8 3.1.1 Generalidades.8 3.1.2 Mquinas elctricas usadas en aerogeneradores12 3.1.3 Regulacin del voltaje de salida.15 3.1.4 Caja multiplicadora18 3.1.5 Control...19 3.1.6 Mantenimiento...21 3.2. Celdas solares Fotovoltaicas.22 3.2.1 Fundamentos de los sistemas solares fotovoltaicos...23 3.2.2Factoresdeprdidaymodeloequivalentedelasceldassolares fotovoltaicas... 31 3.2.3 Control de carga y componentes auxiliares...37 3.2.4 Mantenimientos necesarios44 3.2.5 Cdigo elctrico Nacional 1.99945 vi 3.3. Celdas de hidrgeno..45 3.4. Bateras.48 3.4.1 Fundamentos de las bateras48 3.4.2 Tipos...49 3.4.3 Estimacin del banco de bateras...53 3.4.4 Caracterstica de recarga56 4.Captulo 4: Descripcin del sistema a alimentar..60 5.Captulo 5: Mtodos para la evaluacin tcnico-econmica de las posibles soluciones para alimentar La Tortuga 68 5.1. RetScreenyHomercomoherramientasparalarealizacindel estudio de la factibilidad de proyectos de generacin elctrica 68 5.1.1RetSceen:PV3modeloparasolucionesfotovoltaicasy WIND3 modelo para soluciones elicas.. 72 5.1.2Homer:Modelosmltiples,permiteintegrarcasitodaslas formas de generacin elctrica posibles y caracterizar cada uno de sus componentes...... 76 5.1.3Parmetros financieros que aplican para el caso especfico de la corporacinCANTV-Movilnet,utilizadosparaelestudiode factibilidadeconmicadelosproyectospormediodelusode los programas RetScreen y Homer 80 5.1.4Comparacindelassolucionestradicionalesconlasnuevas energas.... 82 5.2Recursos elicos y solares disponibles en Venezuela...93 vii 5.3Elaboracindeunahojadeclculodeestimacinrpidadela dimensindeunarreglofotovoltaicoysubancodebaterasysu aplicacindirectacomosolucinenergticaparaelproyectoLa Tortuga..... 99 5.4Verificacindeladimensindelarreglosolarfotovoltaicoinstalado enlaestacinElCrucero(repetidoradelaradiobasedela poblacin de Elorza) por mtodo de estimacin preliminar.. 116 6.Captulo 6: Anlisis de las opciones y seleccin de la ms conveniente.118 6.1EscenariosposiblesparaelsuministroelctricoenelproyectoLa Tortuga mediante generacin alternativa. 118 6.1.1Escenarios con generacin elica exclusiva118 6.1.2Escenario con generacin fotovoltaica exclusiva138 6.1.3Escenario con generacinhbrida (elica - fotovoltaica)...147 6.2Discusin y eleccin de la solucin ms conveniente...149 7.Captulo 7: Conclusiones y recomendaciones.155 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS.157 APNDICE 1: Seccin 690 del Cdigo Elctrico Nacional. APNDICE 2: Hoja de clculo del proyecto La Tortuga hecha en Excel. APNDICE 3: Hoja de clculo del proyecto El Crucero hecha en Excel. viii NDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Organigrama de la Vicepresidencia de Operaciones y Sistemas de la Corporacin CANTV-Movilnet... 5 Figura. 3.1. Aerogenerador Bergy BWC XL.1 de 1 kW. 10 Figura. 3.2. Curva de potencia de un aerogenerador Bergy BWC XL.1 de 1 kW...11 Figura. 3.3. Composicin del panel fotovoltaico.28 Figura. 3.4. Esquema representativo de la interaccin de la luz y el flujo de corriente en una celda fotovoltaica...... 34 Figura. 3.5. Circuito equivalente de una celda solar. ......35 Figura. 3.6. Curva Corriente vs. Voltaje de una celda solar ante una carga resistiva variable, manteniendo la temperatura y la irradiancia. . 37 Figura. 3.7. Control de carga paralelo con resistencia disipadora...39 Figura. 3.8. Control de carga en paralelo (con MOS-FET).39 Figura. 3.9. Ejemplos de unidades modulares de celdas de combustible.....47 Figura. 3.10. Variacin de la reserva de bateras ante la peor condicin de carga (4 das sin sol). ............ 54 Figura. 3.11. Caracterstica de recarga de una batera a 25C.56 Figura 3.12. Etapas de la recarga de la batera. ...58 Figura. 4.1. Energa (a la derecha) y Potencia (a la izquierda) vs. Costo62 Figura. 4.2. Trfico celular en centrales...65 Figura. 4.3. Consumo esperado para un equipo repetidor celular CDMA...66 Figura. 4.4. Modelo de contenedor de bateras con ventilacin tipo marina y desahogo tipo chinea 67 ix Figura. 5.1. Flujograma propuesto en esta pasanta para desarrollar un proyecto de generacin alternativa (elica y/o solar). 70 Figura. 5.2. Diagrama unifilar de la solucin de motogenerador.85 Figura. 5.3. Mapa elico de Venezuela (satelital) medido a 10 m de altura97 Figura. 5.4. Mapa elico de Venezuela (satelital) medido a 50 m de altura....97 Figura. 5.5. Variacin de la velocidad medida horaria anual en la isla La Orchila.98 Figura. 6.1 Recurso elico en la zona La Tortuga...125 Figura. 6.2. Variacin del recurso elico respecto a la altura..125 Figura. 6.3 Datos de inclusin del aerogenerador126 Figura. 6.4. Caracterstica de la produccin de potencia del aerogenerador126 Figura. 6.5. Caracterizacin de la carga horaria...127 Figura. 6.6. Proyeccin de la produccin diaria de potencia del aerogenerador.127 Figura. 6.7. Datos de las bateras.128 Figura. 6.8. Diagramas unifilar del circuito compuesto por generacin elica exclusiva...... 128 Figura. 6.9. Resultados de la simulacin 1..129 Figura. 6.10. Produccin energtica del sistema..129 Figura. 6.11. Produccin horaria de potencia del aerogenerador.130 Figura. 6.12. Acumulacin de frecuencia en la produccin de potencia del aerogenerador. . 130 Figura. 6.13. Estado de la carga de las bateras en el tiempo...131 Figura. 6.14. Dinmica de carga y descarga de las bateras.131 Figura. 6.15. Resultados de la simulacin 2134 Figura. 6.16. Produccin energtica del sistema..134 Figura. 6.17. Produccin de potencia horaria del aerogenerador.135 x Figura. 6.18. Acumulacin de frecuencia en la produccin de potencia del aerogenerador... 135 Figura. 6.19. Estado de carga de las bateras en el tiempo..136 Figura. 6.20. Dinmica de carga y descarga de las bateras.136 Figura. 6.21. Resultados de la simulacin 3137 Figura. 6.22. Diagrama unifilar del circuito compuesto por generacin fotovoltaica exclusiva.. 138 Figura. 6.23. Datos de inclusin del recurso solar en la zona.142 Figura. 6.24. Datos del sistema fotovoltaico143 Figura. 6.25. Resultados de la simulacin 4143 Figura. 6.26. Produccin energtica del sistema..144 Figura. 6.27. Produccin horaria del generador fotovoltaico...144 Figura. 6.28. Caracterstica de la produccin diaria promedio del generador fotovoltaico.. 145 Figura. 6.29. Estado de carga de las bateras en el tiempo..145 Figura. 6.30. Dinmica de carga y descarga de las bateras fotovoltaico146 Figura. 6.31. Acumulacin de frecuencia en la produccin de potencia del generador . 146 Figura. 6.32. Diagramas unifilar del circuito compuesto por generacin hbrida (elica fotovoltaica).. 147 Figura. 6.33. Resultados de la simulacin 5148 Figura. 6.34. Balance anual, parmetros financieros y flujo de caja anual simulados en RetScreen 152 Figura. 6.35. Costos del proyecto y viabilidad financiera del proyecto...153 Figura. 6.36. Flujo de caja acumulado en el tiempo de vida del proyecto154 xi NDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Caractersticas de un aerogenerador Bergy BWC XL.1 de 1 kW11 Tabla 3.2. Rendimiento energtico de varios tipos de silicio...25 Tabla3.3.Comparacindedosbaterasplomo-cidodeigualvoltaje(12V) expuestas a la misma temperatura (25C). 50 Tabla3.4.Interdependenciadelatemperaturayeficienciadelas bateras...... 51 Tabla3.5.Ajustesdevoltajederecargadeuncontroladordecargaparauna batera de 12V. 59 Tabla 4.1. Tabla comparativa de equipos repetidores celulares CDMA...61 Tabla 5.1. Previsin de cargas futuras del tablero principal.....................87 Tabla 5.2. Sumatoria de las cargas mxima del sistema a alimentar....................88 Tabla 5.3. Data solar de la Orchila94 Tabla 5.4. Clasificacin de la densidad del potencial elico95 Tabla 5.5. Demanda diurna y nocturna (de la proyeccin de carga diaria)..103 Tabla 6.1. Tabla resumen de los resultados de las diferentes simulaciones.149 1 CAPTULO 1 INTRODUCCIN Enestetrabajosepresentaunestudiorealizadoconelfindeusarenergaalternativa paraalimentarantenasrepetidorasdetelecomunicaciones(enlacesdemicroondas)en zonas donde no hay suministro elctrico. Hay diversas fuentes de energa alternativa que, en lneas generales, intentan resolver el problema de generar electricidad manteniendo limitado su efecto contaminante. Algunas deestasfuentesusanrecursosnaturales(viento,sol,etc.)paraobtenerlaenerga elctrica.Otrasfuentessebasanenelusodeelementoscomoelhidrgeno(celdasde combustibleofuelcells),conelfindeminimizarlasemisionesdecarbonoalmedio ambiente. A este conjunto de nuevas energas tambin se les denomina energas limpias o verdes debido a la reduccin del efecto contaminante. En este trabajo no se consider el uso de celdas de combustible debido a su dependencia con respecto al suministro del recurso fsico (hidrgeno, gas, etc.). El problema de la energa elica o solar suele ser su alto costo inicial y su dependencia delpotencialdelosrecursosenlaszonasespecficasdondesedeseaimplementarel proyecto.Elpotencialdelosrecursoscomoelvientoyelsolsueleserinconstante durante el ao. Adicionalmente, la informacin meteorolgica existente en Venezuela es insuficienteytieneunaltogradodeincertidumbre,loquereducenotablementela confiabilidad que pueda obtenerse para un proyecto que use energa alternativa. Enlosltimosaossehaincrementadosustancialmenteelusodefuentesalternasde energa.PasescomoDinamarca,FinlandiayCanadhanrealizadoimportantes avances: Dinamarca y Finlandia por su tecnologa en el desarrollo de soluciones verdes2 y Canad por sus campaas informativas. Por otra parte, existe un acuerdo internacional de cooperacin, que se gest con la Convencin Marco de las Naciones Unidas sobre el CambioClimtico(CMCC)en1.992,enelquesedefinilalegislacininternacional relacionada con los Mecanismos de Desarrollo Limpio, basados en reducir emisiones o capturar carbono. En 1.998 se realiz en Kyoto la tercera conferencia de las partes de la CMCC,enlaquefirmelfamosoProtocolodeKyoto,queestipulacompromisos obligatoriosdelimitacinoreduccindelosGasesdeEfectoInvernaderoparaciertos pasesdesarrollados.Anteestarealidad,sehaidogestandounaconcienciacolectiva sobreelproblemamundialyestohaincididoenqueotrospases,comoVenezuela, comiencen a plantearse proyectos de generacin con un sentido ambientalista.TantoenlaUniversidadSimnBolvarcomoenlacorporacinCANTV-Movilnetse han adelantado algunos estudios sobre la posibilidad de generar con fuentes de energa alternativa.EnlaUniversidadSimnBolvarhahabidoalgunosproyectosrecientes [1],[2], que contienen datos relevantes sobre recursos elicos en la zona costera del pas yquefuerondeutilidadparaeldesarrollodelpresentetrabajo,ascomotambinha habidoalgunosestudiosdequetienenmsde19aos[3].Porotraparte,enla corporacin CANTV-Movilnet se encuentra operativo un arreglo solar-fotovoltaico que abasteceaunaantenarepetidorallamadaElCrucero,lacualsirvedeenlaceconla radio base Elorza. Aparentemente, ese sistema ha presentado reiterativas fallas debido alautilizacindebaterasinadecuadas.Elanlisisdelasfallasquehuboenese proyecto fue de utilidad para evitar reincidir en el mismo tipo de errores. El uso de energas alternativas para alimentar antenas repetidoras de telecomunicaciones enzonasremotasesimportanteyaqueseeliminanalgunosdelosinconvenientes asociadosalaalimentacincongeneradoreselctricosconvencionales(agasolinao diesel).Algunosdeestosinconvenientesson:eltransportedelcombustible,la 3 dependencia con respecto a las empresas contratistas encargadas de dicho transporte y el riesgocontaminanteencasodeaccidentes.Enestetrabajoserealizunacuidadosa seleccin del tamao de la fuente a emplear y se compar en trminos econmicos con respecto a una solucin con generadores convencionales a gasolina. La principal ventaja de hacer este tipo de anlisis es la cuantificacin de los beneficios obtenidos por el uso de la fuente seleccionada y es esto lo que justific la realizacin del estudio. 4 CAPTULO 2 DESCRIPCIN DE LA EMPRESA Y OBJETIVOS DEL TRABAJO 2.1 Descripcin de la empresa. CANTVeslacompaaprivadamsgrandedeVenezuela.Desdesuprivatizacinen 1991,lacompaahaexperimentadounaconstantetransformacinparaconvertirseen unaempresacompetitivayhadiversificadolaofertadesusproductosyserviciospara abarcarlasreasdetransmisindevoz,datos,accesoaInternet,telefonacelulary directorios de informacin. LosrecientescambioshanllevadoaCANTVhaciaunprocesodeintegracinconsus empresasasociadas.Deestamanera,CANTV,Movilnet,CANTV.netyCaveguas formanunfrentenicoenlaCorporacinCANTVparaaprovecharlassinergiasy ofrecer a sus clientes soluciones integrales a las necesidades de telecomunicaciones. La empresa Movilnet se desarrolla en un mercado altamente competitivo, manteniendo una sustancial participacin en el mercado de la comunicacin mvil. Este mercado est evolucionando debido, entre otros factores, a los cambios tecnolgicos. Por ejemplo, la empresa Movilnet es concebida hoy en da como una red integral de telecomunicaciones que incluye servicios de voz y datos. Ello est ntimamente relacionado con la creciente instauracindeserviciosdetercerageneracin(tecnologaCDMA20001xEV-DO, sobre la cual se comercializa el servicio ABA mvil). Movilnet se autodefine de la siguiente manera [4]: EstetrabajodepasantasedesarrollenlaGerenciadeIngenieradeSistemasde Energa, con sede en la Torre Movilnet (El Recreo, Caracas). La figura 2.1 muestra un organigrama que permite apreciar la ubicacin de esta gerencia en la organizacin de la empresa. 2.2 Objetivos del trabajo. Objetivo General: Determinarlamejoropcindegeneracinelctricaalternativaauto-soportadapara energizarantenasrepetidorasdetelecomunicacionesdelaempresaCANTV-Movilnet enzonasremotas,odedifcilacceso,dondenoexistelaposibilidadconectarseal sistema elctrico nacional. Objetivos Especficos: Estudiar los sistemas alternativos para la generacin de electricidad. Crearunahojadeclculoquepermitadimensionarsistemassolares fotovoltaicos no conectados a una red elctrica. Utilizardosherramientascomputacionalesqueayudanadeterminarla dimensin del sistema de generacin y a hacer una estimacin de costos bajo el 7 dominiodevariablesfinancieras.DichasherramientassonRetScreeny Homer, disponibles en Internet totalmente gratis. Aplicar los conocimientos adquiridos para desarrollar una solucin aplicable a la Isla la Tortuga. Compararlageneracinbasadaenmotoresdecombustininternaconlas fuentes alternativas, teniendo en cuenta la contaminacin ambiental. Entrminoseconmicos,compararlosaspectosreferentesalaoperaciny mantenimientodelossistemasenestudio(elicos,solaresfotovoltaicosyde combustible fsil).Analizarvariosescenariosparacadaalternativaydeterminarculeslamejor opcin. Contactarproveedoresencapacidaddesuministrarlatecnologanecesariapara desarrollarestetipodeproyectos,conlafinalidaddehacerunaeleccin considerando las opciones disponibles en el mercado. 8 CAPTULO 3 INTRODUCCIN A LAS TECNOLOGAS DE GENERACIN ALTERNATIVA 3.1Aerogeneradores. 3.1.1Generalidades. Entrelasfuentesenergticasrenovables,elvientoseconsideraunrecursodisponible, ecolgicoy sostenible. La energa del viento se debe al calentamiento diferencial de la atmsferaporelsolyalasirregularidadesdelasuperficieterrestre,aunqueslouna pequea parte de la energa solar que llega a la tierra se convierte en energa cintica del viento.Elaerogeneradoreslamquinausadaparaconvertirlaenergamecnicaen energaelctrica.Las turbinas elicas (aerogeneradores) han experimentado un notable avancetecnolgicoenlosltimosaos,alcanzandotamaoscadavezmsgrandese incorporndoseenelsuministrodeelectricidadagranescala.Lossistemaselicosse pueden dividir en dos categoras: SistemasInterconectados:diseadosparaestarpermanentementeconectadosalared elctricanacional.Encasodeturbulenciasovientosmuybajos,enlosqueel aerogeneradornoescapazdeproducirenergaparacubrirlademandadeelectricidad,laredeslaencargadadeproporcionarlaenerganecesaria.Enelcasocontrario,si durantelashorasdevientosmantenidosdegranvelocidadseproducemsenerga 9 elctricadelaqueserequiereparasuplirlacarga,elexcesopuedesertransferidoal sistema interconectado. SistemasAislados:sonutilizadosnormalmenteparaproporcionarelectricidadalos usuarios con consumos de energa muy bajos, para los cuales no resulta rentable pagar el costo de la conexin a la red elctrica y/o para los que sera muy difcil conectarse a laredelctricadebidoasuposicinpocoaccesible.Elinstalarunaerogeneradoren zonasremotaseliminaelproblemadelabastecimientodecombustible,elruidodel generador diesel y ofrece ventajas econmicas y medioambientales. En la actualidad el modelo de aerogenerador ms usado se basa en un diseo dans de ejehorizontalysecomponedeungeneradorelctricomontadosobreunatorreagran alturayconectadoaunrotorohlicesmovidasporelvientoyquetransmitenal generadorsumovimientorotacionalparalaproduccindeelectricidad.Estasturbinas aprovechanlaenergacinticadelflujodevientoqueatraviesaelreaquebarrenlas hlices(palas)delrotor.Losaerogeneradoresdegrantamaousanunacajareductora paraigualarlavelocidaddelmovimientodelas hlicesalavelocidadrequeridaporel generadorparaproducirpotencia;aunqueparaaerogeneradoresdepequeas dimensiones (1 kW) pueden encontrarse algunos modelos que no usan este tipo de caja reductora. En la figura 3.1 se muestra un aerogenerador Bergy BWC XL.1 de 1 kW y la tabla 3.1 muestra los datos de placa de ste. Curva de potencia del aerogenerador: Lacurvadepotenciadeunaerogeneradorindicalapotenciaelctricadesalidaenel aerogenerador a diferentes velocidades del viento. En la figura 3.2 se muestra una curva 10 de potencia de un aerogenerador de 1 kW. Las curvas de potencia se obtienen a partir de medidasrealizadasencampo,dndeunanemmetroessituadosobreunmstil relativamentecerca del aerogenerador (no sobreel mismo aerogenerador ni demasiado cercadel,pueselrotordelaerogeneradorpuedecrearturbulencia,yhacerquela medidadelavelocidaddelvientoseapocofiable).Silavelocidaddelvientonoest variando demasiado rpidamente, pueden usarse las medidas de la velocidad del viento realizadasconelanemmetroyleerlapotenciaelctricaquesuministrael aerogenerador simultneamente paraas hacer una correspondencia entrelas diferentes velocidades del viento y la potencia elctrica producida. Fig. 3.1. Aerogenerador Bergy BWC XL.1 de 1 kW. HlicesPie de mstil Cola Generador Mstil Amarres 11 TipoGenerador - Eje Horizontal de tres aspas, cara frontal al viento - Potencia nominal: 1 kW . - Velocidad del viento para arranque: 3-4m/seg.- Proteccin por mn. velocidad del viento: 2,5m/seg. - Proteccin por mx. velocidad del viento: 54m/seg. - Velocidad del viento para potencia nominal: 24m/seg. - Vida til calculada: 20 aos. - Autoplegado automtico para proteccin ante tormentas: 13 m/ seg. - Potencia nominal del generador: 1Kw.- Voltaje nominal: 24VDC.- Velocidad: 490r.p.m.- Peso aproximado:34 Kg.Tabla 3.1. Caractersticas de un aerogenerador Bergy BWC XL.1 de 1 kW. [5] Fig. 3.2. Curva de potencia de un aerogenerador Bergy BWC XL.1 de 1 kW 1. 12 La correspondencia de la potencia de salida con la velocidad de incidencia del viento en laspalasdelaerogeneradornoesunvalorexacto,sisegraficarantodoslospuntos experimentales se obtendra una gran nube de puntos. La razn es que en la prctica la velocidad del viento es muy variable, y resulta imposible medir exactamente la columna devientoqueatraviesaelreadebarridodelaspalasdelaerogenerador.Lasolucin para esta incertidumbre en la medicin es tomar un promedio de las diferentes medidas para cada velocidad del viento, y graficar esos promedios. Lascurvasdepotenciaestnbasadasenmedidasrealizadasenzonasdepoca turbulencia y con el viento en direccin frontal a la parte delantera de la turbina. Por lo tanto,puedeserdifcilreproducirexactamentelacurvaenunalocalizacincualquiera dada. 3.1.2Mquinas elctricas usadas en aerogeneradores. Turbinas elicas con generadores sincrnicos: Las turbinas elicas que utilizan generadores sincrnicos de imn permanente tienen un graninconvenientedebidoaquelosimanessonbastantecostososytiendena desmagnetizarse. A pesar de esta desventaja, son bastante usados en aerogeneradores de baja potencia. El generador de 1 kW que se usar para las simulaciones en el captulo 6, esunaerogeneradorqueusaimnpermanente.Elalternadordeestosaerogeneradores de imn permanente convierte la energa rotacional del rotor en energa elctrica y est especialmentediseadoparacadamodeloporseparado.Especficamenteelalternador delaerogeneradorde1kWBergyXL.1estdiseadoparaproducirpotenciaabajas velocidadesdevientoincidente,locualeliminalanecesidaddetenerunacaja 13 multiplicadoraenlagndoladelaerogenerador.Lasalidaelctricaquesaledel alternadoresalternaytrifsica,peroesrectificadaacorrientecontinuadentrodela gndola.Debidoalusodeimanespermanentes,elalternadorgenerarvoltajesiempre que el rotor est girando. [6] La mayora de las turbinas elicas usan generadores de 4 6 polos. La razn por la que seutilizanestosgeneradoresdevelocidadrelativamentealtaesparalograrminimizar los tamaos y los costos. Lafuerzamximaopartorsorqueungeneradorpuedemanejardependedelvolumen delrotor.Paraunapotenciadesalidadada,sedebehacerlaeleccinentreuncostoso generador de baja velocidady gran tamao, o un generador ms pequeo y econmico dealtavelocidad.Laeleccinsedebehacerapartirdeunestudiocompletodel proyecto,endondesedebenincluirloscostosdelainversininicial,operaciny mantenimiento, relacionados con la utilidad en el tiempo que el mismo generar. No es unaeleccinfcilymuchasvecesestlimitadaporlosmodelosdisponiblesenel mercado.Turbinas elicas con generadores asincrnicos (o de induccin): La mayora de turbinas elicas del mundo utilizan un generador asncrono trifsico (de jaula de ardilla), tambin conocido como generador de induccin, para generar corriente alterna.Unadelasrazonesparapreferirestetipodegeneradoresqueesmuyfiabley comparativamentenosueleresultarcaro.Estegeneradortambintienepropiedades mecnicas que lo hacen especialmente til en turbinas elicas. La velocidad de ungeneradorasncrono variarcon la fuerza degiro(momento, o par torsor)queseleaplique.Enlaprctica,ladiferenciaentrelavelocidadderotacina potenciamximayenvacoesmuypequea,alrededordeunoporciento(1%).Esta 14 diferenciaexpresadaenporcentajedelavelocidadsincrnicaeselllamado deslizamientodelgenerador.Elhechodequeelgeneradoraumenteodisminuya ligeramente su velocidad si el par torsor vara es una propiedad mecnica muy til. Esto significa que habr menor rotura y desgaste en la caja multiplicadora (menor par torsor mximo). Esta es una de las razones ms importantes para la utilizacin de generadores asncronos,enlugardegeneradoressincrnicos,enaerogeneradoresdirectamente conectados a la red elctrica.Se puede hacer funcionar un generador asncrono de forma autnoma si se le provee de condensadoresquelesuministrenlacorrientemagnetizantenecesaria.Esprecisoque haya algo de remanencia en el hierro del rotor, cuando se ponga en marcha la turbina. Si elmaterialmagnticodelrotornuncahasidomagnetizado,serequerirdeunafuente de energa (una bateray electrnica de potencia, o un pequeo generador diesel)para arrancar el sistema. Luego de esa primera vez, bastar con unos capacitores para generar la corriente de campo necesaria. 15 3.1.3Regulacin del voltaje de salida. Ser capaz de hacer funcionar una turbina a velocidad variable supone muchas ventajas. Unadelasrazonesporlasquesepuedequererhacerfuncionarlaturbinaavelocidad variableesqueelcontroldelngulodepaso(controldelpartorsorparaevitar sobrecargasen la caja multiplicadorayen elgenerador, variando el ngulo de paso de laspalas)esunprocesomecnico.Locualsignificaqueeltiempodereaccindel mecanismodecambiodelngulodepasovieneaserunfactorcrticoeneldiseode turbinas.Sisetieneungeneradordedeslizamientovariable,sepuedeempezara aumentar el deslizamiento una vez que est cerca de la potencia nominal de la turbina. Laestrategiadecontrolaplicadaenundiseoampliamenteutilizadoenturbinas danesas(degrantamao)esladehacerfuncionarelgeneradoralamitaddesu deslizamiento mximo cuando la turbina est funcionando cerca de su potencia nominal. Cuando sopla una rfaga de viento, las seales del mecanismo de control hacen que el deslizamientoaumenteparapermitirqueelrotorgireunpocomsrpidamente,hasta queelmecanismodecambiodelngulodepasopuedehacerfrentealasituacin, girando las palas ms hacia afuera del viento. Una vez que el mecanismo de cambio del pasohahechosutrabajo,eldeslizamientodisminuyedenuevo.Enelcasodequela velocidaddelvientocaigarepentinamente,elmecanismoaplicadoeselinverso. Aunqueparezcaunmecanismosencillo,ponerenfuncionamientoestesistemade control eficientemente resulta un reto tcnico muy complejo.Esciertoqueoperarelgeneradorconunmayordeslizamientoproducirmayores prdidascalricas,locualsetraduceenunaoperacinmenoseficiente.Sinembargo, estonoconstituyeunproblemaensmismo,yaqueelexcesodeenergapuedeser usado para orientar las palas del rotor fuera del viento, al cambiar el ngulo de paso.16 Uno de los beneficios reales de utilizar esta estrategia de control es la obtencin de una mejora en la calidad del suministro elctrico, dado que las variaciones en la demanda de lacargaelctricaconectada,sonabsorbidasocompensadasvariandoeldeslizamiento delgenerador,yalmacenandooliberandopartedelaenergaenformadeenerga rotacionalenelrotordelaturbinaelica.Enturbinasdemenorpotenciaestas estrategias de control no son usadas, generalmente usan el pliegue de su cola para evadir grandesrfagasdeviento,siestaestrategianofuncionaelrotorsedesacopla temporalmente de las hlices. Generacin de corriente alterna (AC) a frecuencia variable:

Lamayoradelosaerogeneradoresfuncionanaunavelocidadcasiconstantecon conexindirectaared.Sinembargo,conconexinindirectaared,elgeneradordela turbinaelicafuncionaensupropiareddecorrientealterna.Estaredestcontrolada electrnicamente (utilizando un inversor), por lo que puede variarse la frecuencia de la corriente alterna en el estator del generador. De esta forma se puede hacer funcionar la turbina a una velocidad de giro variable. As pues, la turbina generar corriente alterna con una frecuencia proporcional a la velocidad de giro del rotor.Conversin a corriente continua (DC): La corriente alterna de frecuencia variable no puede ser utilizada directamente en la red elctricapblica,debeserrectificada(aDC).Laconversindecorrientealternade frecuenciavariableacorrientecontinuapuedehacerseutilizandotiristoresograndes transistores de potencia. 17 Conversin a corriente alterna de frecuencia fija: PosteriormentealaconversinaDC,sepuedeconvertirlacorrientecontinuaa corriente alterna (utilizando un inversor) de exactamente la misma frecuencia que la de la red elctrica a la que se desea conectar el equipo. Esta conversin de corriente alterna en el inversor tambin puede hacerse utilizando tiristores o transistores. El producto de las imperfecciones de la conversin DC-AC se refleja en un incremento enlacantidaddearmnicosenlanuevaseal.Losarmnicossonpicosoruidosa diferentefrecuenciaquelafrecuenciafundamental.Unestudiodedescomposicinen series de Fourier puede ayudar a determinar la pureza de la onda. Ventajas y desventajas de la conexin indirecta a la red: La principal ventaja es que permite que el rotor gire ms rpidamente durante rfagas de viento,yalmacenandoaspartedelexcesodeenergaenformadeenergarotacional hasta que la rfaga haya terminado, al mismo tiempo que con la electrnica de potencia se puede controlar la potencia reactiva.La desventaja limitante de la conexin indirecta a red es el costo debido a la necesidad de instalar un rectificador y un inversor. Otras desventajas son la prdida de energa en el proceso de conversin CA-CC-CA, y elhechodequelaelectrnicadepotenciapuedeintroducirdistorsinarmnicadela corriente alterna en la red elctrica y, por tanto, reducir la calidad de potencia. 18 3.1.4Caja multiplicadora. Lapotenciadelarotacindelrotordelaturbinaelicaestransferidaalgeneradora travs del tren de potencia, es decir, a travs del eje principal, la caja multiplicadora y el eje de alta velocidad. Si se usara un generador ordinario para transformar energa elica en energa elctrica, directamenteconectadoaunaredtrifsicadeCA(corrientealterna)a60Hz,condos, cuatrooseispolos,setendraunaturbinadevelocidadextremadamentealta,deentre 1.000y 3.000 revoluciones por minuto r.p.m.Con un rotor de 43 metros de dimetro, esto implicara una velocidad en el extremo del rotor de ms de dos veces la velocidad del sonido, as es que se debera abandonar esta opcin. Otra posibilidad es construir un generadordeCAlentoconmuchospolos.Perosisequisieraconectarelgenerador directamentealared,senecesitaraungeneradorde200polos(esdecir,300imanes) paraconseguirunavelocidadderotacinrazonablede30r.p.m.Ademsexisteotro problema, la masa del rotor del generador tiene que ser aproximadamente proporcional a la cantidad de par torsor (momento, o fuerza de giro) que tiene que manejar. As que, encualquiercaso,ungeneradoraccionadodirectamentesermuypesadoycaro.La solucinprctica,esladeutilizarunmultiplicadorconelcualsehacelaconversin entre la potencia de alto par torsor, que se obtiene del rotor de la turbina elica girando lentamente,ylapotenciadebajopartorsor,aaltavelocidad,queseutilizaenel generador.Lacajamultiplicadoradelaturbinaelicanocambialasvelocidades.Normalmente, sueletenerunanicarelacindemultiplicacinentrelarotacindelrotoryel generador. Para una mquina de 600 750 kW, la relacin de multiplicacin suele ser aproximadamente de (1:50).19 Existenunmecanismodeproteccinquepermitelaparadadelrotor,estemecanismo normalmenteenlosaerogeneradorestieneundispositivodefrenodeemergenciade disco accionado hidrulicamente. 3.1.5Control. Elcontroladorcomparacontinuamentelaslecturasdelasmedidasentodalaturbina elica,paraasegurarquetantolossensorescomolospropiosordenadoresfuncionan correctamente.Astambin,escapazdecomunicarseconeloperadordelaturbina elicamedianteunenlacedecomunicacin,comoporejemplo,enviandoalarmaso solicitudesdeservicioatravsdeltelfonoodeunenlaceradiofnico.Tambines posible,enelcasodelosgrandesaerogeneradores,llamaralaturbinaelicaparaque recojaestadsticas,yrevisesuestadoactual.Enparqueselicos,normalmenteunade lasturbinasestarequipadaconuncomputador,desdeelqueesposiblecontrolary recogerdatosdelrestodelosaerogeneradoresdelparque.Estecomputadorser llamado a travs de una lnea telefnica o un enlace radiofnico.Normalmente,suelehaberuncontroladorenlaparteinferiordelatorreyotroenla gndola.Enlosmodelosrecientesdeaerogeneradores,lacomunicacinentre controladores suele hacerse utilizando fibra ptica. En algunos modelos recientes, hay un tercer controlador situado en el buje del rotor.Enunaturbinaelicamodernaesposiblemonitorizarofijaralrededordeentre100y 500 valores de parmetros. Por ejemplo, el controlador puede contrastar la velocidad de rotacindelrotor,elgenerador,suvoltajeycorriente.Tambinpuedenrealizarse medidas de la temperatura del aire exterior, la temperatura en los armarios electrnicos, latemperaturadelaceiteenelmultiplicador,latemperaturadelosdevanadosdel 20 generador,latemperaturadeloscojinetesdelmultiplicador,lapresinhidrulica,el ngulo de paso de cada pala del rotor (en mquinas de regulacin por cambio del ngulo depasooderegulacinactivaporprdidaaerodinmica),elngulodeorientacin (contando el nmero de dientes en la corona de orientacin), el nmero de vueltas en los cables de alimentacin, la direccin del viento, la velocidad del viento del anemmetro, eltamaoylafrecuenciadelasvibracionesenlagndolayenlaspalasdelrotor,el espesor de las zapatas del freno, si la puerta de la torre est abierta o cerrada (sistema de alarma). Lamentablemente en aerogeneradores de menor escala (20A),se aconsejaelusodeinterruptoresdiseadosparaevitarlaformacindearcosentre contactos.Serecomiendaelusodelosinterruptoresacuchillaconmecanismode disparo rpido a resorte. Centrodedistribucin:Cuandoelsistemafotovoltaicotieneunconsumoelevado,o forma parte de un sistema mixto, es aconsejable evaluar el uso de los llamados centros dedistribucin.Escomnqueestoscentrosdedistribucinofrezcaninstrumentalde medida,controldecargadebateras,fusibles,proteccincontrarayosyvariasdelas 44 opciones normalmente ofrecidas con los controles de carga o por separado. La principal ventaja es la integracinfuncional que proveen, con el conjunto ensamblado dentro de una caja con proteccin ambiental adecuada. Medidordecargadebatera:Elmedidordecargadebateraestbasadoenla correlacinqueexiste,enunabateradePb-cido,entreelvoltajedelasmismasyel estado de carga. El indicador funciona como un voltmetro de escala expandida (mayor precisin) entre un voltaje mnimo (0% de carga) y otro mximo (100% de carga). 3.2.4Mantenimientos necesarios. Elgeneradorfotovoltaicoesunsistemaesttico,estoes,sinpartesmecnicasen movimientolocualrepresentaunagranventajaantecualquierotraalternativade generacin,yaquenoexistenprdidasmecnicasnifriccindepartesquesufranun continuo desgasteydeban ser reemplazadas. Espor estarazn que usualmente se dice quenorequieremantenimiento,exceptounalimpiezaperidica,conunpaohmedo, delasuperficiedecaraalsoldelosmdulos.Estalimpiezasirveparadevolverla transparencia original al cristal que puede haberse reducido por culpa de capas de polvo, reduciendo la capacidad de captar energa solar. Elreguladordecarganorequiereningnmantenimiento.Silabateradeacumulacin esdeltipodePlomo-cidonosellada,debecontrolarseelniveldellquidounavezal ao. Hace falta tambin mantener una buena limpieza de los contactos entre los bornes y los terminales de los cables de conexin, aplicando peridicamente (una vez cada dos meses) una capa de vaselina. 45 3.2.5Cdigo elctrico Nacional 1.999. RevisandoelCdigoElctricoNacionalensuversindelao1.999enbsquedade informacin sobre instalaciones elctricas en generacin fotovoltaica, puede encontrarse uncaptulocompletosobreSistemasSolaresFotovoltaicoscorrespondienteala seccin 690.En la seccin de Sistemas Solares Fotovoltaicos se definen importantes conceptos sobre loscomponentes,semuestraelesquemaunifilardeconexin,seestablecenlas corrientespermisiblesysusprotecciones,ascomotambinseinformalamanera correcta de desconexin de los equipos fotovoltaicos y la desactivacin de un grupo de paneles. La seccin 690 del cdigo elctrico nacional se encuentra incluida en este trabajo en el Apndice1,enellapuedeconsultarsedetallessobreelcontenidodelosconceptosy normas. 3.3Celdas de hidrgeno Losgeneradoresdepotenciaqueusanelhidrgenoparaproducirenergaelctricapor mediodeunprocesoqumicosonconocidoscomoceldasdehidrgenooceldasde combustible. La creacin de este invento se remonta a los aos de 1.839, pero su aplicacin crucial en lahistoriadelahumanidadserealizenlosaos1.960enquefueaplicadaenlas misionesespacialesdelaNasa,ApolloyGminis,parasuministrarenergaelctricay aguapotable,ylaindustrialasreconocicomounaopcintcnica,peroenese momento enfrentaban an barreras tecnolgicas y altos costos de produccin. [9] 46 Actualmenteestasolucindegeneracinalternativasehatrabajadomuchoyhasido protagonista de una verdadera evolucin, hasta el punto de ser implementada en carros de prueba en pases como Alemania, en su aeropuerto de Munich. Laceldadehidrgenoesactualmentevistacomounaalternativadegeneracin distribuidayaqueenelmercadonacionaleinternacionalseencuentrandisponibles solucionesgeneradorasdehasta5kWlosquepuedenserconectadoshastaenun nmero de cuatro (4) unidades de en paralelo para aumentar la capacidad de generacin enconjuntohasta20kWsinlanecesidaddeinterconectarlospormediodeun controlador adicional, tal es el caso de la solucin ofrecida por la empresa Plug Power Fuel Cell Systems. Otrasdelassolucionesdisponiblespermitenuncrecimientomodulardelgeneradorde hidrgenodemaneradeiraumentandolacapacidaddegeneracinconformevaya creciendo la carga a travs del tiempo, lo que significa un costo inicial menor, ejemplo deestetipodegeneradorpuedeserobservadoenlafigura3.9dondesemuestra,de izquierdaaderecha,unequipomodularde1kWdecapacidadinstalada(expansible hasta1,2kW)ntesecmosecomponedemdulosverticalesde200Wcadauno,un equipomodularde2kW,ungabinetequeincorporados(2)equiposmodularesde2kWlograndounacapacidadtotalde4kWconsurespectivoscontenedoresde hidrgeno,yporltimoungabinetequeagrupacuatro(4)equiposde2kWconsus contenedoresdehidrgeno.LasolucinqueofreceelproveedorReliOn,incorpora hasta 6 equipos modulares de 2 kW logrando una capacidad mxima de 12 kW. Lalimitantedeestosequiposdeenergaalternativalimpialibresdemantenimientoes que no estn diseados para trabajar en condiciones continuas 24 horas x 365 das, por loquesoncomercializadoscomoequiposderespaldodeenerga.Alserequiposde respaldo,entrandirectamenteacompetirconlosacumuladoreselctricos(bateras) 47 contralosquetienenunagrandebilidadqueeselsuministrodehidrgenocomo combustible. Fig. 3.9. Ejemplos de unidades modulares de celdas de combustible. Enzonasurbanasydefcilaccesodondeeldespachodehidrgenonorepresentaun inconveniente, se estn implementando celdas de combustible en sustitucin de bancos debaterasparadarrespaldoenergticoaequiposdetelecomunicaciones.Laempresa CANTV-Movilnetanseencuentraenperododeevaluacindeestatecnologayno tiene ningn equipo de este tipo en servicio. Debidoalaorientacindeesteproyectohacialaimplementacinenzonasremotasde difcilacceso,deantemanosedescartalaposibilidaddeimplementarestosequipos como respaldo energtico debido al consumo diario de hidrgeno que tendra el sistema obligando a establecer un indeseado despacho fijo de combustible hidrgeno al sitio de implementacin. 48 3.4Bateras 3.4.1Fundamentos de las bateras Unabateraesunacumuladordeenergaelctricayensudefinicinunacumulador elctricoesundispositivoquealmacenaenergaelctricaporprocedimientos electroqumicos y que ladevuelve posteriormente en su casi totalidad. Este ciclo puede repetirsedeterminadonmerodeveces[10].Esunequipoqueescapazdeproveer, durante un perodo de tiempo determinado por su capacidad, la carga que su interior se encuentre acumulada previamente mediante lo que se denomina proceso de carga. Normalmenteseconectanvariosdeestosequiposenserieparaaumentarelvoltaje lograndounaconexindenominadabancodebateras,variosbancosdebaterasson conectados en paralelo para aumentar la capacidad de respaldo del arreglo de bateras. Las bateras pueden ser de varios tipos, aunque las ms comunes son las de plomo-cido yestncompuestasensuinteriorporceldasacumuladorasdeltipoplomo-cido,cada unodelascualessuministraelectricidadconunatensindeunos2V,estasceldas acumuladorasseencuentranconectadasenserieporloqueelconjuntoentregalos habituales12Vsiestcompuestaporseisdestasceldas,o24Vsiestcompuesta por 12 celdas y as sucesivamente. La carga ptima de de una batera se compone de cuatro fases: Ciclo de carga intensa, ciclodeabsorcin,ciclodeflotacin(ogoteo)yocasionalmenteseaplicaloquese conoce como periodo de ecualizacin [11]. Estas fases sern explicadas detalladamente en la seccin 3.4.4. 49 3.4.2Tipos Bateras aplicadas a sistemas solares: Unabateraparapoderserusadaensistemassolaresfotovoltaicosdeconsumo energticocontinuodebeserespecialmentediseadaparastepropsitoyaquelas baterasnormalmenteestndiseadasparapermanecerenestadodeflotacin,estoes, listas para ser usadas en momentos de contingencia. Tal puede ser el caso del arranque delmotordeunautomviloelrespaldodeenergaparaunaradiobasede telecomunicaciones. Sondoslascaractersticasqueidentificanaunabateradeaplicacinsolar:lamayor profundidaddedescarga(PD)yunaltovalorparaelciclaje.Labaterasolarpermite unaPDmximadel80%,cientosdeveces,anivelesdecorrientemoderados.Espor ello que a estas bateras se las denomina de ciclo profundo (BCP). Se considera que una BCPhacompletadotodoslosciclosdecargaydescargacuando,alsercargada nuevamente,lamximaenergaquepuedealmacenarsereduceal80%desuvalor inicial.ElnmerodeciclosdecargaydescargadependedelaPD.Cuandosta disminuye,elnmerodeciclosaumenta.ParaunadadaPD,labateramsrobusta proporciona el mayor nmero de ciclos. La Tabla 3.3 muestra estas caractersticas para dos bateras solares de Pb-cido con electrolito lquido de diferentes capacidades. Comolossistemasfotovoltaicossonnormalmentede12Vnominalesomltiplosde ste,losrequerimientosdereservapuedensersatisfechosconlaspresentacionesde bateras 12 V , aunque se fabrican bateras de ciclo profundo con capacidad de reserva muchomayoresespecialmenteparaserusadoensistemasdemayorconsumoomayor frecuencia de uso como por ejemplo: un sistema comunal (varias casas conectadas a un 50 sistemafotovoltaico)tieneunacapacidadde1.493Ahypesa1.200Kg,estas dimensiones pueden lograrse a las conexiones serie-paralelo. Batera 1Batera 2 CapacidadAh PesoKg CapacidadAh PesoKg2173035065 % PDN de ciclos% PDN de ciclos 8054380693 50757501.068 301100302.050 201800203.050 Tabla 3.3. Comparacin de dos bateras plomo-cido de igual voltaje (12 V) expuestas a la misma temperatura (25C). [12] Elprocesodealmacenamientodeenergaenacumuladoresesunprocesocomplejo afectado por muchas variables, una de las variables que rigen la eficiencia de la batera elctrica es el factor temperatura. Una batera debe estar a una temperatura estable para garantizarunaeficienciafija,amayortemperaturalabaterasecomportams eficientemente como puede observarse en la tabla 3.4. Elaumentoenlaeficienciatotalqueseobtienea30Cestrelacionadoconuna drstica reduccin de la vida til de la batera, es por esto que normalmente se prefiere que las bateras estn a una temperatura constante de 25 C , de esta manera se logra un balance ptimo entre la eficiencia y la vida til de la batera.51 TemperaturaC Capacidad% Eficiencia301051,05 251001 16900,9 4770,77 -7630,63 -18490,49 Tabla 3.4. Interdependencia de la temperatura y eficiencia de las bateras.[12] Tanto los acumuladores de plomo cido convencionales como las BCP, no son capaces deretenerlaenergaeternamentedebidoasucomposicinqumicaylamanerade almacenar la carga. Entre los componentes de las bateras se encuentra un agregado de antimonioelcualincrementalaautodescargadelasbaterasaplicadasensistemas solares. Cuando la temperatura ambiente es de 50Cla batera se descargar totalmente enunmes;astambin cuandolatemperaturaambienteescercanaalos25C laauto descargaseprolongaa4meses.Estascifrasmuestranquesiunabateraquecontiene antimonio, previamente cargada, permanece en un depsito por largo tiempo, deber ser recargadaantes de ser usada ya que seguramente ha sufrido una auto descarga. Bateras de gel o valve regulated lead acid batteries (VRLA): Existe una batera de aplicacin solar de Pb-cido donde el electrolito no es lquido sino gelatinoso. Su costo es alrededor de tres veces mayor que el de la versin con electrolito lquido.Laliteraturatcnicasueleidentificaraestetipodebaterasconlaabreviatura 52 VRLA.Comoestabateranorequiereventilacinalexteriorduranteelprocesode carga, la caja exterior es hermtica. Esta hermeticidad evita el derrame del electrolito, lo que disminuye el riesgo en su manejo. Como no requieren mantenimiento, se les usa en instalacionesdondelasupervisinesinfrecuenteonula,comoeselcasoensistemas fotovoltaicosrepetidoresdecomunicacionesqueseencuentranubicadosenzonas remotas. El tipo de electrolito usado en esta batera permite su uso a bajas temperaturas conmayoreficienciaquelasdeelectrolitolquido.Laautodescargasemanalesde 1,1%, a 25Cy aumenta a un 3% cuando la temperatura se eleva a 40C .Bateras Ni-Cd Estas son bateras muy sofisticadas por lo que poseen un alto costo inicial (6 a 8 veces eldeunabateraequivalentedePb-cido),estediseonohapodidosuplantaraltipo Pb-cidoconelectrolitolquido.Sinembargo,elcostooperacional(largoplazo)es muchomenorqueeldeunabateradeigualcapacidaddeltipoPb-cidodebidoasu larga vida til y bajo mantenimiento. UnabateradeNi-CdtoleramsabusoquesuequivalentedePb-cido.Pueden soportar,sindao,cargasydescargasexcesivas,ascomounamayorprofundidadde descarga(cercadel100%).Otrasventajasasociadasconestetipodebateraesla ausencia de problemas similares al de la sulfatacin de las placas o la congelacin del electrolito.UnabateradeNi-Cdpuedetrabajarconbajoestadodecargasin deteriorarse. La vida til es ms de dos veces la de una BCP de Pb-cido. Dado que ningn componente es perfecto, alguna de las caractersticas de la batera de Ni-Cd que pueden ser consideradas como inconvenientes en un sistema fotovoltaico es sucaractersticadedescarga.Comolaresistenciainternadeestabateraesdiez(10) veces menor que la de Pb-cido, el voltaje de salida permanece prcticamente constante 53 hastaelmomentoenquesucapacidaddealmacenajedeenergaseveagotada.Es entonces cuando ste cae en forma vertiginosa. Esta caracterstica no permite al usuario tenerunindicativodeporcentajededescargacomoenelcasodelasbaterasdePb-cido. Si se usan estas bateras en un sistema fotovoltaico, el control de carga deber ser elegido de manera que sea compatible con este tipo de bateras. 3.4.3Estimacin del banco de bateras Banco de bateras: Paracalcularelbancodereservasedebetenernocindelrgimendeusodelmismo durante los perodos que precedeny suceden a la peor condicin para unsistema solar fotovoltaico, los cuatro das sin sol, esta cifra de cuatro das responde a un estndar no formalquemanejanlaspersonasespecialistasendimensionamientodearreglos fotovoltaicos[13].Lafigura3.10muestralasvariacionesquesufrelareservadurante esosperodosparaunacarganocturna,esdecir,nicamentedemandapotenciaenlas noches,porejemplo:Elalumbradodeunaautopista.Aunqueelobjetivodela investigacinesalimentarunacargaqueseencuentraactivalas24horasdelda,se tom este ejemplo de carga nocturna para demostrar con mayor sencillez el proceso de descargaantelapeorcondicinconsideradaparasistemasfotovoltaicos.Seaprecia claramentequeconlosdassoleadoslasbaterasserecarganasunivelmximo.La energaconsumidadurantelanocheesrestituidaporlospanelesaldasiguiente.Al comenzarelperodosinsol,queseconsidera(peordelosescenarios)deinsolacin nula,lasbaterasnopuedensercargadas.Durantecuatrodasserepiteestergimen. Esto significa que el mnimo nivel de reserva al retornar los das de sol estar dado por 54 elconsumoenergticoduranteloscuatrodassinsolmsuno,yaqueladescarga durante la noche anterior y posterior al perodo oscuro es inevitable. Fig. 3.10. Variacin de la reserva de bateras ante la peor condicin de carga (4 das sin sol) [12]. Si se hiciera estudio segn documentacin especfica de la zona donde se desea instalar elproyectoysellegaraalaconclusindequeelpeorcasoesmayorde4dassinsol tendraquedimensionarseelarregloconelfindepodercubrirlaautonomanecesaria por el estado climtico. Existen, tericamente, dos posibilidades de lograr un mayor alcance en la autonoma del sistema:aumentarlacapacidaddegeneracin,afindeacortarelperodode recuperacin del banco de carga, o aumentar la reserva del banco de bateras. Quedadepartedeldiseadordelsistemabuscarlasolucinmsconvenienteparael caso particular.Las bateras son ms econmicas que los paneles solares fotovoltaicos, 55 sinembargo,laimplementacindemsbaterassetraduceenunaumentodela corrientedemandadaporelbancodebaterasdurantelarecarga.Lopeorquepuede pasar utilizando esta opcin es que el banco se descargue profundamente y el generador noseacapazdesuministrarenergasuficienteparasuplirlacargayrecargarlas bateras.Aumentarlacantidaddepanelessolares(agrandarelgenerador)tambintienesus ventajas y desventajas. Al hacerlo, se incrementa la posibilidad de cargar correctamente el banco de bateras encondiciones no ideales.La parte negativa de la solucin es que antelapeorcondicindeinsolacin,elsistema notendrlaautonomasuficientepara responder correctamente. Existe otra variable importante a la hora de decidir dnde se desea robustecer el sistema (en la parte generadora o en la parte de bateras), el regulador de corriente de recarga de lasbateras.Lacorrientederecargadelasbateraspuedeserreguladaporel controlador,creandoelcompromisoentrelacantidaddecorrientemximaqueel controladorpermiteentraralprocesoderecargadebaterasyeltiempoderecargadel mismo. SegnalgunosespecialistasquecompartensusexperienciasenforosporInternet[14] una capacidad degeneracin de 1,3 a 1,5 vecesel valor de lacarga mxima es lo ms aconsejable.Decualquiermanera,cadaproyectoesdiferenteyrequieredeuna evaluacin para lograr el equilibrio propio entre capacidad de generacin y capacidad de respaldo,factoresdereadisponible,costosymantenimientosonalgunosdelos factores que rigen estas decisiones. 56 3.4.4Caracterstica de recarga. Lacaractersticaderecargadelasbaterasesunfenmenoquepuedeserdescritoen formageneral,aunquedebetenerseencuentaqueparacadatipodebateray dependiendodelacasaquelafabrique,estascaractersticasvaranunpoco.La caracterstica de recarga de una batera que no se encuentra regulada por un controlador puede ser observada en la figura 3.11. 00,10,20,30,40,50,60,70,80,910 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30horaspuI Recarga pu V Recarga pu % Recarga pu Fig. 3.11. Caracterstica de recarga de una batera a 25C. [15] 57 Paralograrqueunabaterafuncionecomorespaldoesimprescindiblecargarla.En especiallasbaterasdeaplicacinsolarque,comoseexplicanteriormente,estn sujetasasufrirdescargasprofundasyunaltonmerodeciclos.Deestamanera,las bateraspodrnusarseadiarioenlasnoches(cuandonosegenerapotenciaenel generador fotovoltaico) y algunas veces durante el da (perodos de tiempo en los que el generador fotovoltaico no sea capaz de producir suficiente energa para suplir la carga). La carga ptima de de una batera se compone de cuatro fases: Ciclo de carga intensa. Ciclo de absorcin. Ciclo de flotacin (o goteo). Perodo de ecualizacin (aplicado ocasionalmente).Enlafigura3.12serepresentanlasdistintasfasesdelacargaptimadeunabatera, ntese que durante los perodos de descarga del banco de bateras, el mismo permanece a un voltaje constante (igual a su voltaje nominal) debido a que se encuentra supliendo lacarga.Estoesunaidealizacindelprocesodebidoaqueelvoltajedelabaterase degrada poco a poco a medida que avanza el proceso de descarga, lo que significa que mientras se descarga la batera el controlador de carga puede sensar el voltaje en bornes del banco y saber aproximadamente la cantidad de carga que tiene el mismo. Cuando el controlador de carga sensa en bornes del banco un voltaje igual al voltaje que el usuario le program como voltaje de desconexin (tpicamente 11,4 V para bancos de 12V)inmediatamentedesconectaelbancodebaterasparaprotegerlodedaos irreversibles. 58 Para que el controlador de carga permita la reconexin del banco de bateras al proceso dedescarga,elmismodebealcanzarenbornesunvoltajeigualalqueelusuariole programe en el controlador como voltaje de reconexin (tpicamente 12,6 V para bancos de12V).Estosvaloresdeconexinyreconexindelbancodebaterasyalgunos ajustes de voltaje que se le hacen a un controlador de carga en las etapas de recarga de un banco de bateras de 12 V,estn bien ilustradas en la tabla 3.5. La carga de la batera debe hacerse con un voltaje superior al nominal de la batera para forzar que la batera pase del estado de flotacin o descarga a un estado de recarga. Al subir la tensin en bornes de la batera a un voltaje superior al nominal, se produce un flujodecorrientehaciaelinteriordelacumuladorlograndolainiciacindelarecarga, este voltaje para bateras de 12 Vest tpicamente entre 14,2 Vy 14,6 V.Enelciclodecargaintensa,latensindecargadebealcanzarunos14,4Vconla finalidad de intensificar la cantidad de corriente que entra en la batera, con lo que en el momentoqueseobtieneunumbralenlaintensidaddecargadeunveinticincopor 1523 4 5 1 Carga intensa. 2 Absorcin. 3 Flotacin. 4 Ecualizacin. 5 Descarga del banco. t V Figura 3.12. Etapas de la recarga de la batera. 59 ciento(25%)delacapacidaddelabatera,seentiendequeestayaestcargada alrededordelsetentaycincoporciento(75%)desucapacidad.Enesemomentose entra en fase de absorcin, que trata de mantener constante la tensin de 14,4 V en esta fase es donde se disminuye progresivamente la intensidad de corriente hasta alcanzar el uno por ciento (1%) de la capacidad de la batera, lo que significa un estado de carga de un noventa por ciento (90%) aproximadamente. Estados de RecargaVRLAPlomo - cido Absorcin de voltajeV 14,214,4 FlotacinV 13,713,7 EcualizacinV 14,4 14,9 a 15,1Desconexin de cargaV 11,411,4 Reconexin de cargaV 12,612,6 Tabla 3.5. Ajustes de voltaje de recarga de un controlador de carga para una batera de 12 V. [16] La carga de flotacin es la que permanece constante en 13,2 V,y permite que no haya sobrecargadelasbateras,loquerepercutiraenunconsumoexcesivodeaguadel electrolitoyunaumentodelatemperatura.Lafasedeecualizacinseaplica ocasionalmenteyconsisteenproporcionarunatensindeunos16voltiosdebaja intensidadparadesprenderlaposiblesulfatacindelasplacasysloesaplicableen bateras de trabajo pesado de descarga profunda debido al calibre de las placas de stas. En placas de bateras de gel no es nada conveniente aplicarla. 60 CAPTULO 4 DESCRIPCIN DEL SISTEMA A ALIMENTAR En este captulo se realizar el clculo de la curva de demanda horaria esperada para el proyecto de suministro de energa a la isla La Tortuga, a partir del trfico celular y la capacidaddelosequiposdetelecomunicacionesainstalar.Considerandoelconsumo mximo nominal del equipo de telecomunicacina instalar, la informacin de la curva esperada del trfico celular diario permite hacer una estimacin de la curva de demanda elctrica de ese equipo en particular. El sistema a alimentar elctricamente es el equipo detelecomunicacionesainstalar.Elcriteriodediseoqueseproponeesel dimensionamientodelgeneradorelctricodemaneraquepuedaenergizar adecuadamentecualquieradelosequiposdetelecomunicacionespreseleccionadospor laempresaCANTV-Movilnet.Conestefin,losclculossebasarnenelequipode mayor potencia mxima. Se requiere energizar una antena repetidores celulares CDMA. Entre las opciones que se manejaronenlacompaa,entraronalicitacintresmarcaslascualesestn representadasenelpasbajolafiguradeotracompaa.Estapreseleccinselleva cabomedianteunatabladerequerimientosquegenercadagerenciayque posteriormente fue concretada en una tabla de requerimientos generales. En la tabla 4.1 puede detallarse las caractersticas energticas de los equipos que entraron en el proceso de licitacin. Apartirdeestainformacinpreliminaryasepudoempezarconlostrabajosde estimacin del consumo esperado por el equipo repetidor, esta tarea requiri de algunas 61 informacionesconfidencialesdelaempresaenloreferenteatrficocelularyalgode pericia. Caractersticas SHYAM R-4 Series SHYAM FRCG Series CELLETRA 800 MHz CELLETRA 2,6 GHz ANDREW NODE-C 837 ANDREW NODE-C 843 Consumo 150W Master: 200 W Remote: 400 W Donor unit: 250 W Remote unit: 500 W Donor unit: 200 W Remote unit: 400 W Node: 500 W Interface: 250 W Node: 500 W Interface: 250 W Alimentacin 90 240 VAC @ 47 60 Hz Conexin para respaldo 24 VDC -48 VDC 110 VAC

@ 40 - 60 Hz Opcional : 230 VAC

@ 40 60 Hz Opcional: 36 72 VDC Tabla 4.1. Tabla comparativa de equipos repetidores celulares CDMA. Enprimerlugar,portradicindelagerenciadeenerga,seestimelconsumodela carga a su mximo nivel durante todo el da para estar cubiertos ante la peor condicin de descarga. Luego de las primeras impresiones y contactos con proveedores de equipos de generacin alternativa se concluy que esta condicin de carga deba ser calculada de unamaneraprecisaporqueelcostoinicialdelassolucionesdegeneracinalternativa (especialmente la fotovoltaica) aumenta a medida que aumenta la demanda de la carga. 62 Para ilustrar la forma en que varan los costos respecto a la carga, la figura 4.1 muestra lacapacidaddeenergainstaladavs.elcostoquerepresentainstalarla,ntesequeel grafico tiene dos coordenadas de referencia en el eje vertical, la de la derecha representa la energa consumida por la carga durante un da kWh/da; mientras que la coordenada izquierda representa la potencia nominal de la carga en W. Fig. 4.1. Energa (a la derecha) y Potencia (a la izquierda) vs. Costo. SPS: Sistema de energa fotovoltaica. HPS: Sistema hbrido de energa. Tomandoencuentaquepequeosajustesenlacapacidaddegeneracinelctricaa instalarrepresentangrandesahorrosencostoinicial,secomenzainvestigarcmo hacerparapoderrealizarunaestimacindeconsumoenergticodelosequipos repetidores celulares CDMA. Medio Alto Bajo [W] [kWh/da] 63 No existe en el sistema interno de reportes de CANTV-Movilnet un historial detallado sobre el consumo horario de los equipos de de energa. Lo que se acostumbra es pedir a las contratistas que hagan mediciones durantes sus visitas a los sitios. Revisar el trabajo delascontratistasnoayudamuchopararesolverelproblemaahoraplanteado,yaque slohacenmedicionesduranteperodosde4horaslocualessuficienteparachequear (encasosAC)elfactordepotenciaylacontribucinenAdecadafase(encasos trifsicos), pero no muy provechoso para una estimacin diaria. A continuacin se pudo identificar en el sistema interno de generacin de reportes de la corporacin,unadatahorariasobreeltrficocelularquecursabaporlascentrales.El trfico celular esta definido como el proceso constituido por sucesos relacionados con la demanda de utilizacin de los recursos de una red de telecomunicaciones [17], a su vezsepuedemedirlaintensidaddeltrficocelularlocualnoesotracosaquela intensidaddetrficoinstantneaenunconjuntoderganoseselnmeroderganos ocupadosenuninstantedado.Unerlangeslaintensidaddetrficoenunconjuntode rganos,cuandoslounodeellosestocupado[17].Launidaddeintensidadde trfico se representa con el smbolo E. Lamentablementenoseencontrningunafrmulamatemticaquehicieraposiblela equivalenciaentrelaintensidaddetrficoylaenergarequeridaporunequipopara lograresaintensidaddetrfico.Loquesipodanafirmartantolostcnicoscomolos ingenierosrelacionadoscontrficocelular,graciasasuexperiencia,esqueamayor intensidad de trfico mayor es el consumo de energa y adems, se atreven a afirmar que la relacin es lineal aunque no existe una formula de equivalencia. Trabajandobajoestapremisa,sepodraafirmarquecomounequipotieneuna capacidadlimitadadeintensidaddetrficocelularyasuvezunconsumoenergtico mximo, estos datos deberan coincidir al mismo tiempo. Esto es, en el momento en que 64 elequipoproceselamximacantidaddeerlangEsercuandoconsumalamayor cantidad de W. Elproblemavamsalldesaberlarelacinentreelerlangylosvatios.Lossitios donde se desean implementar las soluciones de generacin alternativa, son sitios nuevos donde no se tiene idea sobre cmo ser el trfico celular.Motivado a hallar una manera de poder establecer numricamente la relacin entre E y W, y adems buscar la posibilidad de generalizar el comportamiento horario del trfico celular, se procedi a manipular la data sobre trfico horario en centrales de Venezuela parapoderobservarelcomportamientodeltrficocelularduranteundacompletoen lneasgenerales.EstosdatosenEfueronllevadosaporunidadpuloquequieredecir quesetomelmximovalorenEcomolaunidadparacadacentralporseparado. Teniendo todos los datos horarios en pu para cada central se hizo una grafica tiempo vs. intensidad de trfico (en p.u.), de cada central, logrando posteriormente reunir todas las grficas en una sola (figura 4.2) para observar como es la tendencia nacional de trfico celularduranteelda.Comotodaslasgrficasseencuentranenlamismaunidadpu puedehacerseunpromedioelcualrepresentalatendencianacionaldeltrficocelular para la compaa CANTV-Movilnet. SegnlapreseleccindelosequiposrepetidorescelularesCDMAelequipodemayor consumo podra estar por el orden de los 750 W y este ser el caso que ser usado para trabajar en la investigacin, se llamar el equipo modelo. Si se proyectara el promedio mostradoenlafigura4.2aelequipomodelo,setendraqueigualarlaunidaddel sistemapuaelconsumomximodelequipomodelo(750W).Estaproyeccinse encuentra ilustrada en la figura 4.3. 65 Trfico Celular en Centrales00,10,20,30,40,50,60,70,80,910 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Horas del daValor puBarquisimeto2Caracas5Caracas6Lecheras2Maracaibo2Promedio Fig. 4.2. Trfico celular en centrales. Todas las cargas sern de corriente continua para evitar la necesidad de usar inversores decorrienteyaquelosequiposrepetidoresestndiseadosparatrabajarencorriente continua.Elusarcorrientecontinuaesunagranventajadebidoaquetantolos generadores elicos como los fotovoltaicos pueden servir corriente continua.Enlafigura4.3sehailustradolaproyeccindelacargaduranteeldaque representaran los radios repetidores celulares CDMA los cuales representan la mayor y ms importante parte de la carga de un punto de repeticin (antena repetidora). Las luces de baliza no sern tomadas en cuenta como carga del sistema debido a que en aplicacionesdegeneracinalternativaexistensistemasindependientesdelucesde baliza las cuales cuentan con un pequeo panel solar fotovoltaico y su propia batera la cual ofrece una autonoma de hasta 144 horas. 66 Consumo horario esperado0,0050,00100,00150,00200,00250,00300,00350,00400,00450,00500,00550,00600,00650,00700,00750,000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23Horas del da[W] Fig. 4.3. Consumo esperado para un equipo repetidor celular CDMA. ComorecomendacinparalaempresaCANTV-Movilnetsesugierehacerunestudio decomparacinentrelasmedidaseneltrficocelularysuscorrespondenciasconel consumodepotencia.Astambinesconvenientehacermedidassobreelconsumode los equipos de telecomunicaciones cuando se encuentran en standby. Lailuminacinexteriornoseconsideranecesariaparaestetipodeinstalacionesen zonas remotas auto soportadas, pero en caso de considerarse la posibilidad, se hara con bombillas de bajo consumo para ahorrar energa. Dos pequeos postes con una bombilla de 30 W cada uno seran suficientes para iluminar el sitio, lo que representa un consumo nfimoyqueencasodetomarseencuenta,agregaraalrededorde540Wh/daala demanda diaria del sistema. En caso de servicios especiales a los equipos instalados en horas nocturnas, bastara con la luz interna de los gabinetes que contienen a los equipos. 67 Los bancos de bateras se piensan instalar en cajas cerradas lo cual crea la necesidad de implementarenstasunsistemadeventilacinquepermitaelflujodelosgases emitidos por las bateras, durante la recarga, al exterior. Los extractores no estn contemplados en el proyecto debido a que en primera instancia se desean usar bateras selladas y en caso de usar bateras de plomo-cido podra usarse unsistemadeventilacinnaturaltipomarinoconundesahogodetuboplsticotipo chimenea en la caja contenedora de las bateras, este sistema se muestra en la figura 4.4. Fig. 4.4. Modelo de contenedor de bateras con ventilacin tipo marina y desahogo tipo chinea. [18] 68 CAPTULO 5 MTODOS PARA LA EVALUACIN TCNICO-ECONMICA DE LAS POSIBLES SOLUCIONES PARA ALIMENTAR LA TORTUGA 5.1. RetScreenyHomercomoherramientasparalarealizacin delestudiodelafactibilidaddeproyectosdegeneracin elctrica.

Pensandoenaportaralgoalacausamundialdeconservacindelacapadeozonoy reducirlastasasdeemisindecarbonoalambienteconmirasapreservarla biodiversidadentodoelmundo,elgobiernocanadienseenconjuntoconlaNASAy otros colaboradores han creado un programa interactivo de motivacin a la inversin en el rea degeneracin elctrica ecolgica. Dicho programaes de fcil manejo lo que lo calificacomoaptoparacualquierusuarioyaqueseencuentradisponibletotalmente gratis en Internet [19]. RetScreensirvecomoherramientadedimensionamientodelsistemadegeneracin, peroesmejorancomoestimadordefactibilidadeconmicadeestetipodeproyecto. Los creadores aseguran que su principal propsito es el dar herramientas al proyectista parajustificarelcasodenegociodeestossistemasdegeneracinaplicandovariables econmicasespecficas.Dadaslasherramientasenlosdiferentesprogramasdel RetScreen, es fcil entender los beneficios y limitaciones que la generacin alternativa puede ofrecer. 69 Homer nace de la misma motivacin que RetScreen, slo que est ms desarrollado en el aspecto energtico del proyecto. Estos diferentes enfoques que ofrecen los citados programaspermitenalproyectistausarambosconlafinalidaddetenerlamayor informacinposible.EnestetrabajoseemplearprimeramenteHomerpara determinarcualeslasolucinmsconvenienteencuantolosparmetrossiguientes: autonomadelsistema,costodelaenergayvalorpresenteneto.Luegodeescogerla solucinmsconveniente,sesimularlamismaenRetScreenparatenerunmayor detalle en el aspecto econmico. No es trivial la metodologa que debe usarse para desarrollar un estudio de factibilidad paraunproyectodegeneracinalternativa,esporestoqueenlafigura5.1seha propuesto un flujograma que describe la metodologa usada para ejecutar este trabajo y que podra ser aplicada para otros proyectos de generacin alternativa (elica o/y solar). A continuacin se amplan algunos pasos del flujograma desarrollado (figura 5.1). Capacidaddecapitalyfinanciamiento:Sedebetenerclarolacantidaddedinero disponibleparaserusadocomopagoinicial,ascomotambinesnecesarioestar asesorado sobre la capacidad de financiamiento (por parte de una entidad financiera por ejemplo) que tiene el proyecto. Estos datos sern usados para el anlisis de factibilidad econmica por los programas RetScreen y Homer. Obtencin de una proyeccin de la demanda horaria: Requiere un estudio que revele la cantidad promedio que demandar la carga en las diferentes horas del da. El cuantificar lasdiferenciasenlademandaenergticaclarificarelcomportamientodelamismay permitiendoestablecerunvalordelconsumoenergticodiario,locualesmuy 70 importanteparaeldimensionamientodellossistemasdegeneracinalternativa. Pequeosaumentosenladimensindelgeneradornormalmentesoncorrespondidos con costos elevados. Fig. 5.1. Flujograma propuesto en esta pasanta para desarrollar un proyecto de generacin alternativa (elica o/y solar). Otraventajadedefinirbienlacargaesquesepuedetenerunaideapreviasobreel recurso(elicoosolar)quemejorseadecuealtipodecarga.Ejemplo:unacargaque tenga su mayor demanda durante el day sea deconsumo muy bajo sobre la noche, es uncandidatopotencialparaseralimentadaconunsistemasolarfotovoltaico.Otro Proyecto Obtencin de una proyeccin horaria Definicin del sitio geogrfico Contactar proveedores de sistemas de energa alternativa Capacidad de capital y financiamiento Obtencin de datos meteorolgicos del sitio Se usan estas mediciones Se consulta la data de la NASA Obtener detalles tcnicos de los componentes de los sistemas Obtener costos referenciales Se pondera el potencial de los recursos disponibles Se simulan todas las posibles soluciones en Homer SiNo Se escoge la solucin ms conveniente tomando en cuenta: autonoma,COEy NPV Hallar la evasin de costo por energa en $/lts y $/kWh (seccin 5.1.4) La solucin elegida es simulada en RetScreen para obtener mayor informacin econmica Existen? 71 ejemplo podra ser una carga que no tenga variaciones importantes a lo largo de un da, convirtindoseenposiblecandidatoparaserenergizadacongeneracinelica.La proyeccin de carga horaria de este proyecto se realiz en el captulo 4. Definicindelsitiogeogrfico:Enestetrabajoelsitiogeogrficoseescogiporun estudiodelaGerenciadeFactibilidadquetomencuentalamejorubicacinparala antenarepetidora.Paraproyectosdondelaubicacindependanicamentedelsistema de generacin, se debe escoger el sitio de implementacin luego de haber evaluado los recursos(elicoysolar)ydejarabiertaestaescogenciahastaelfinaldelaescogencia entrelassolucionesposibles.Ejemplo:evaluarambosrecursosyescogerunsitio predilecto para cada recurso (un sitio para la solucin elica y otro para la solar). Hallarlaevasindecostoporenerga:Obligaalproyectistaaestudiarelcostodela energa que tendra una solucin de generacin elctrica convencional. Generalmente la solucin energtica para zonas remotas es la implementacin de motogeneradores. Este valor debe calcularse tanto en $/litro, como en $/kWh. En la seccin 5.1.4, se explica y se calcula detalladamente este concepto. Obtencindedatosmeteorolgicos:Sedebechequearladisponibilidaddedatos disponibles,denopoderaccederalosmismos,serecomiendausarelprograma RetScreen desde donde se puede tener acceso a la base de datos meteorolgicos de la NASA (ver seccin 5.1.1). 72 Clasificacindelosrecursos:Tantoelrecursosolarcomoelicoposeenuna clasificacinquelossubdividecomoregulares,buenos,excelentes,etc.Enlaseccin 5.4 se explican estas clasificaciones. Contactarproveedoresdetecnologa:Losproveedorespuedensertantonacionales comointernacionales,loimportanteesqueenprincipioofrezcanunasolucinparael proyecto y los datos de los equipos que la misma contiene. Este es quizs el paso menos complicado, ya que actualmente va Internet es posible contactar muchsimos. 5.1.1.RetSceen:PV3modeloparasolucionessolaresfotovoltaicasy WIND3 modelo para soluciones elicas. Losmodelosestncompuestosporunaseriedehojasdeclculoconformatorgido para que sea fcil la introduccin de los datos por parte del usuario. Engeneral,ambosmodelostienenlamismaestructura.Existeunahojadedicadaa especificaciones tcnicas del sistema, luego se encuentra la hoja donde se especifica la posicin geogrfica delproyectoconel fin de buscarautomticamente,vaInternet, la estacin meteorolgica ms cercana (esta conexin se hace por medio de una aplicacin macrodeMicrosoftExcel)unavezquesecarganlosdatosdelazonadeseada,el programaes capaz de usar la data directamente sin necesidad que el usuario tenga que copiarlaenlatabladelmodelo.Lahojasiguienteesdondeseintroducenloscostos asociadosalproyecto,queservirnparahacerelanlisiseconmicoelcuales presentado posteriormente en una de las hojas de resultados. El modelo RetScreen es capaz de calcular la reduccin de emisin de gases por el uso de tecnologa fotovoltaica en lugar del uso de otra solucin (base de comparacin); Por 73 ejemplo:lareduccindeemisindecarbonoqueseobtendraalsuplantarun motogenerador por un PVs. Porltimo,elmodeloofreceunahojaderesultadosfinancierosyestudiode sensibilidad. La hoja de resultados financieros incluye un flujo de caja representativo al ahorro por usar esta tecnologa en vez de usar otra solucin seleccionada (comparacin similar a la de reduccin de emisin de carbono a la atmsfera). EsimportanteentenderqueelmodeloRetScreenbuscasiemprecompararlos proyectosconsolucionesnormalmenteusadascomoporejemplo:conexinaunared elctrica,unmotogenerador,etc.Deestamanera,elmodelonopermiteenfrentardos solucionesdegeneracinlimpias(verdes).Enestesentido,lametodologaquese seguirparaverculeslamejorsolucinserenfrentartodaslasposiblessoluciones (elicayfotovoltaica)contraunasolucinfijaunmotogenerador,deestamanerase decidir cual ofrece la mejor alternativa de negocio. Modelo de Proyecto Fotovoltaico RetScreen (PV3): El modelo propuesto por RetScreen puede ser empleado para evaluar la produccin de energa y desempeo financiero de un proyecto fotovoltaico, desde un proyecto de poco alcance hasta un proyecto de interconexin de energa en cualquier zona del mundo. Aunqueelprogramaabarcasolucionesdeinterconexin,porlaespecificidaddeeste trabajo slo se estudiarn las aplicaciones auto soportadas (off-grid). ParaayudaralusuariodelRetScreenacaracterizarelsistemafotovoltaicoantesde evaluarelcostoydesempeoenergtico,algunosvaloressonsugeridospara dimensionarcomponentes,porejemplo:elvalornominaldelarreglodelsistema fotovoltaico, photo voltaic systems (PVs). 74 LosPVstienenrelativamentepocoscomponentes,perovariosdelosparmetrosque rigen los procesos que entre ellos se suscitan, presentan comportamiento no lineal por lo quesuinteraccinescompleja.ElmodeloRetScreenusaunalgoritmosimplificado para minimizar las variables de entrada y acelerar los clculos.ElmodeloderadiacinsolarempleadoporRetScreeneselqueampliaronKleiny Theilacker [20] para el caso de superficies mviles. Elclculodelarreglodepanelesfotovoltaicosestbasadoenlostrabajoshechospor Evans(1981)loscualestomanencuentaefectostantodetemperaturacomode orientacin. Modelo Aislado: Elmodeloaisladoeselmodelomscomplicadoporelhechodequedebehaberuna correlacin entre la energa que puede aportar el arreglo y la energa que debe aportar la batera para suplir la carga en cada instante de tiempo. Las dos principales limitaciones del modelo aislado son: El sistema concentrador solar actualmente no puede ser evaluado El modelo no ofreceuna probabilidad de prdida de carga, aunque si ofrece un dato en kWh de carga no suplida al ao. Estemodelorepresentaunsistemaautosoportadoconrespaldodebateras,conosin motogeneradoradicional.Enelcasodeestudioespecficocuandoseuseeltrmino modeloaisladoseconsideralaausenciademotogenerador.Laenergaproveniente 75 del arreglo de paneles solares puede ser usada directamente por la carga, o pasar por las bateras primero antes de ser distribuida a la carga Modelo de Proyecto Elico RetScreen (WIND3): ElmodeloRetScreenaplicadoasistemaselicospuedeserusadoparaevaluar fcilmentelaproduccindeenerga,costodelciclodevidaylareduccindeemisin de carbono al ambiente.La mayor limitacin de ste modelo es que para modelos auto soportados o aislados, los proyectosdeenergaelicanecesitanalmacenarenergaylamentablementeenel modelo no se incluye la interaccin con un sistema de almacenamiento de energa. Elmodelocalculalaproduccinnoajustadadeenergaquepuedeejecutarlaturbina elica.Estoes,laenergaqueunaovariasturbinaselicas(aerogeneradores)pueden producir en condiciones estndar de temperatura y presin atmosfrica. La distribucin de la velocidad de vientos es calculada por el RetScreen por medio de la funcin probabilstica de densidad de Weibull [21]. Esta distribucin es comnmente usadaenlaingenieradeenergaelica.Enalgunoscasos,semodelatambinla distribucindevelocidaddeRayleigh,lacualesuncasoespecialdelafuncinde Weibull. 76 5.1.2.Homer:Modelosmltiples,permiteintegrarcasitodaslas formas de generacin elctrica posibles y caracterizarcada uno de sus componentes. Simulaciones en Homer: Datos necesarios para hacer un modelo con el programa Homer: Aerogeneradores: Velocidad del viento, desde 0 hasta 25 m/s con la respectiva potencia que genera para cada una de esas velocidades. Cantidad de aerogeneradores a instalar. Capital $. Reemplazo $. Costos de operacin y mantenimiento (O&M) $/year. Altura del mstil m. Datos de las Bateras: Capacidad nominal Ah Nominal voltaje. Eficiencia %. Nivel mnimo de estado de carga %. Tiempo de vida years. Mximo cociente de carga A/Ah. Mxima corriente de carga A. Lifetime throughput kWh. Tabla: Corriente A vs. Capacidad Ah. Tabla: Profundidad de descarga % vs. Ciclos de vida. 77 PVs: Dimensin kW. Capital $. Reemplazo $. Operacin y mantenimiento (O&M) $/year. Vida til years. Aprovechamiento energtico del panel %. Tipo de sistema (si es de ngulo adjustable o fijo). Inclinacin en grados. ngulo azimuthW of S. Reflectancia del suelo %. Motogenerador: Coeficiente de interseccin L/hr/kW rated. Slope L/hr/kW output. Consumo de combustible, tabla: Potencia de salida kW vs. Consumo de combustible L/hr. Vida til operating hours. Coeficiente mnimo de carga %. Trminos importantes del Homer: Firm RE Capacity: Es la capacidad garantizada kW que el proyecto de energa puede entregar. Para los PVs quesonevidentementeintermitentes,elusuariodebeintroducirLaevacindecosto por capacidad que es negociado con la compaa de electricidad local. Esta evasin de 78 costoporcapacidaddependerdelperfildedemandalocalascomodelamaneraen que se suple esta carga. En los casos ms conservadores, debido a la intermitencia de la generacin solar, el costo de capacidad se iguala a cero. En este caso de estudio, no existe proveedor alguno de electricidad en la zona. Por esta razn y por tratarse de un PVs se asumir este valor igual a cero. Setpoint state of charge: Esunaestrategiadedespachodecargaalasbaterasdesdeelgenerador.Conesta estrategia se obliga la carga de la batera continuamente hasta alcanzar el porcentaje de carga que se especifique con el setpoint state of charge. Un set point de 80% indica al sistema que una vez iniciado el ciclo de recarga de las bateras no debe cesar hasta que el arreglo de bateras alcance el 80% de su capacidad. Load following: Esta opcin es usada cuando emplean varios tipos de generacin. Especifica al sistema quelacargadebateradebehacersesolamentedesdelosgeneradoresderecursos renovables(generacinlimpia)mientrasqueelmotogeneradornicamentesuplela carga. Capacity Shortage: Es la porcin de la carga anual en kW que no puede ser suplida por el sistema. EsnaturalqueelusuariosepreguntePorquestaherramientanoponderalos resultadosusandounacomparacinconelcostodelaenerga(CE)?Laverdadera preguntaquedeberahacerseesPorquelvalorpresenteneto(VPN)esmejor 79 medidor econmico? La respuesta es porque el VPN es un nmero ms confiable que el CE. ElconceptodeCEesbastantesimple:EselcostopromedioporkWhdeelectricidad. PerocuandoseestimamatemticamenteladefinicindelCEsurgenvarias interrogantes. Un ejemplo representativo de estos inconvenientes puede demostrarse en el siguiente ejemplo: Si un sistema sirve a dos cargas, una elctricay una trmica, Se deberansepararloscostosdecagaunadelascargas?,ysielsistemanoescapazde entregar el 100% de la cargaa toda hora, Qucarga debe usarse para elclculo? La demandada por la carga o la que el sistema puede ofrecer? ParaeldesarrollodelaecuacindelcostodelaenergaCE,debentomarseencuenta muchas atribuciones y quizs eso sea el punto dbil de este tipo de comparaciones en un aspectotcnico,peroeconmicamentehablandoesunpuntomuyfuerteparaesta investigacindehecho,comoyasehaexpuesto,parazonasremotas,actualmentela solucineslaimplementacindemotogeneradoresyloquesedeseaesevadirlos costos de los constantes mantenimientos y abastecimiento de combustible, unido esto a la logstica que intrnsecamente contiene estas actividades. Ciertamente cualquier decisin en la elaboracin matemtica del CE ser defendida con argumentoslgicos,peroesonocambiaelhechodequeseesthaciendouna arbitrariedad y que no todo el mundo puede estar de acuerdo. Lo contrario pasa con el concepto del valor neto presente VPN, que es un concepto que no requiere de ningn juicio, esta es la razn principal por la cual este modelo se apoya en esta variable. 80 ElValor Presente Neto (VPN): Todoslossistemassonponderadosdeacuerdoalvalorpresentenetoenelmodelo Homerylasdemsvariableseconmicasquemanejaelmodelosirvenparacalcular ste valor. El valor presente neto se calcula de acuerdo a la siguiente expresin: ) , (proytotalanualR i FRCCVPN=Ecuacin 5.1 [21] Donde: Ctotal anual : Costo total anual $/ao. FRC : Factor de recuperacin de capital. i : tasa de inters. Rproj : Vida del proyecto en aos. Elfactorderecuperacindecapital:Tambinllamadofactordeamortizacin.Esel nmeroquemultiplicadoporlacantidaddecapitalinvertidoresultaenelcostode prestar este dinero por un perodo de tiempo. [22].( )( )( ) 1 11, ++=NNii iN i FRCEcuacin 5.2 [21] Donde:i : tasa de inters anual. N : nmero de aos. FRC : factor de recuperacin de capital.

5.1.3.Parmetrosfinancierosqueaplicanparaelcasoespecficodela corporacinCANTV-Movilnet,utilizadosparaelestudiode factibilidadeconmicadelosproyectospormediodelusodelos programas RetScreen y Homer. 81 Parmetros financieros: Avoidedcostofenergy$/L:Estevalortpicamenterepresentaelpromediooelvalor marginaldelaunidaddeenergaaserusadacomobasedelproyectoycmoest directamenterelacionadaconelcostodelcombustiblequesetendraqueusarpara suplirlacargadelproyecto.Esteconceptoestampliamenteexplicadoenlaseccin 5.1.4.Energycostescalationrate%:Eslaproyeccinanualdelatasapromediode crecimiento para el costo de la energa sobre el tiempo de vida del proyecto. Inflation %: Es la proyeccin anual de la tasa promedio de inflacinsobre el tiempo de vida del proyecto. Project life years: Es el perodo de tiempo sobre el cual el proyecto es financieramente factible.Debt ratio %: Es el cociente de dbito sobre la sumatoria de gastos total del proyecto. El cocientededbitoreflejaelapalancamientofinancierocreadoparaunproyecto; mientras mayor sea el cociente de dbito, ms largo ser el apalancamiento.Debt interest rate %: Es la tasa anual de intereses pagados al prestamista al final de cada ao al trmino de la deuda. El modelo (RetScreen) usa la tasa anual de intereses de la deuda para calcular el pago de la deuda. Debt term ao: Es el nmero de aos sobre el cual la deuda es compensada. Effective income tax rate %: Es la tasa equivalente efectiva a la cual la red derivada del proyecto es expuesta a impuestos. Depreciationmethoddecliningbalance/straighline/none:Esunaseleccindela depreciacindelosactivos,enelmodeloesusadoparacalcularlosimpuestossobre renta y los indicadores post-impuestos. 82 Depreciationtaxbasis%:Esusadoparaespecificarlaporcindelcostoinicial capitalizada y que puede ser depreciada en el clculo de los impuestos. La parte restante esprevistaparaserusadaenlaconstruccin(ao0).Unejemplo:Enunproyectolos costos de factibilidad suman 20% y el restante 80% son gastos de desarrollo, instalacin e ingeniera. En este caso, el usuario debe colocar 80% en el depreciation tax basis con el fin de calcular los intereses a pagar por estos costos a lo largo del crdito, el 20% de loscostosdefactibilidadnodebenserincluidosyaqueestoscostosdebenpagarseal momento de hacer el estudio. Depreciation period aos: Es el perodo sobre el cual el capital de costo del proyecto es depreciado usando una tasa constante. 5.1.4.Comparacindelassolucionestradicionalesconlasnuevas energas. Factoresfavorablesydesfavorables,costosespecficosdelequipo,mantenimiento, abastecimientodecombustibleyreemplazo.Estudioexhaustivodeunmotogenerador comosolucinalproblemaplanteadoconelfindesincerarloscostosasociados, especficamente el costo de combustible por litro $/litro y el costo de la energa $/kWh. Evasin de costo por energa (Avoided coast of energy):Este concepto engloba una gama completa de factores que permiten al modelo tener un puntoconcretodecomparacinparaefectuarlaoperacineconmicadeflujodecaja referenciadaacuntoseestdejandodepagarporunserviciodeenergadebidoala instalacindelproyecto?Estoes:Sielproyectoeslainstalacindeunaerogenerador con respaldo de bateras en un sitio remoto, la evasin de costo por energa es cunto 83 costaragenerarlaenerganecesariaparasuplirlacargaconunmotogenerador?Se especificalacomparacindirectamenteconunmotogeneradorperoenrealidadla comparacin es vlida con varias variables (una a la vez) como por ejemplo: generador termoelctrico, extensin de alguna red elctrica (acometida), bateras no recargablesy otros. En el caso de estudio se emplear la comparacin con un motogenerador diesel debido a queenlazonanoexisteningunacompaaqueproveaservicioelctricoylasolucin hasta ahora implementada en estos casos ha sido el motogenerador. Elparmetrodeevasindecostoporenergatieneunidadesde L$ydebereflejarlos siguientes costos: Equipo de generacin (motogenerador). Combustible. Transporte de combustible. Personal encargado del transporte del combustible. O&M. Reparaciones y reemplazo de piezas. Sabiendo todos estos costos se procede a calcular un costo aproximado anual de energa producida por el generador ao$. Adems, se debe saber cuanto es la demanda en aokWh paraasfinalmentesaberlaEvasindecostoporenergamediantelasiguiente expresin: kWhaokWhao$$= 84 Estaexpresintambinpuedeserdescritaporlaequivalenciadelitrosdecombustible necesarios para producir la energa requerida. La eficiencia del generador es el parmetro que define cuntos litros de combustible son necesariosparagenerar1kWh.Conociendolaeficienciadelgeneradoresposible convertirlasunidadesdelademanda aokWha aoL,medianteestaequivalenciade unidades se puede reescribir la expresin de Evasin de costo por energa de la siguiente manera: Eficiencia del motogenerador:LkWh Equivalencia en litros de combustible necesarios para suplir la demanda de todo el ao: aoLLkWhaokWh=Evasin de costo por energa:LaoLao$$= Acontinuacinsecalcularlasolucindegeneracinparazonasremotasque generalmente implementa en lacorporacin CANTV-Movilnet.Losequipos usados en estassolucionessonescogidoscomounestndarluegodeunestudioposterior licitacin.Soncompradosencantidadesimportantesparatenerlosdisponiblesen almacn y as poder implementarlos de manera inmediata.En la figura 5.2 se presenta el diagrama unifilar del circuito compuesto por generacin elica exclusiva. 85 Fig. 5.2. Diagrama unifilar de la solucin de motogenerador. Dimensionamiento del Motogenerador: Clculo de las cargas: Aire acondicionado de 12.000 BTU.1 BTU 3.516,84 W 12.000 BTU 3,52 kW Conocidalaeficienciadelaireacondicionado=90%podemossaberlademandade este equipo mediante la expresin: esPP= kW Pe912 , 39 , 0520 , 3= =1 2 3 Rectificador I II III IV V1 = 208 VAC V2 = -48 VDC V3 = -48 VDC VBB = -48 VDC Controlador BB I: Aire A. II : Iluminacin III : Cargas Externas IV : Radios, 750 W S = 17 kVA fp : 0,9 V = 208 V 86 Para saber la potencia aparente de sta demanda se usa el concepto de factor de potencia (fp) que es igual al coseno del ngulo de desfase entre el voltaje y la corriente: ) ( Cos fp =kVAfpPSee347 , 49 , 0912 , 3= = =ParasaberlademandamximaenamperiosAquedemandarestacargaseutilizala siguiente expresin: | | . | | | | I V S=AVSIgene21208347 , 4= = =Finalmente la carga del aire acondicionado es: Se= 4,347 kVA fp = 0,9 Imax= 21 A Equipo Minisystem (Rectificador) Datos de placa:Irec total = 93 A, Vrec = 48 V Segn estos datos podemos calcular la potencia activae mxima del equipo: kW I V Prectotal rec rectotal464 , 4 93 * 48 * = = =Al igual que para el clculo de potencia de demanda del aire acondicionado, usamos la eficiencia del equipo para calcular la potencia demandada por el mismo: kWPPrecrec srec e96 , 49 , 0464 , 4= = = Igualmente usamos el factor de potencia para calcular la potencia aparente: 87 kVAfpPSrec etotal e511 , 59 , 096 , 4= = = Luego se puede saber la corriente mxima que ste equipo puede demandar: AVSIredtotal erec5 , 26208511 , 5| || || |max= = = Finalmente la demanda mxima del rectificador es: Se-total = 5,511 kVA fp = 0,9 Imax-rec = 26,5 A Iluminacin para el gabinete de interconexin: Paraestailuminacinseusan4bombillosfluorescentesdebajoconsumodeenerga 0,09 kW cada uno, de sta manera la carga ser: kW Pilu036 , 0 4 * 009 , 0 = =kVA Silu04 , 09 , 0036 , 0= =AVSIrediluilu19 , 020804 , 0max= = = Iluminacin Externa1,11 kVA Cercado elctrico1,00 kVA 3 tomacorrientes1,50 kVA Total 3,61 kVA Tabla 5.1. Previsin de cargas futuras del tablero principal: 88 Teniendobiendefinidasestascargasesposibledimensionarelmotogenerador,la sumatoria mxima del sistema: CargasS (kVA)P (kW)Imax (A) Aire Acondicionado 4,3473,91221,00 Equipo Minisystem (Rectificador) 5,5114,96026,50 Iluminacin gabinete de inter. 0,040,0360,19 Previsin de cargas futuras 3,613,25017,36 Total13,50812,15865,05 Tabla 5.2. Sumatoria de las cargas mxima del sistema a alimetar. Capacidad del generador: El generador debe ser sobre dimensionado en un 25% de la carga mxima estimada por normas de la empresa, esto se hace para aumentar la vida til del equipo. Ntese que no se ha previsto crecimiento de la carga en corriente alterna (AC) relacionada al aumento del trf