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En su búsqueda por identificar diferentes tecnologías que permitan abastecer energía a las zonas no interco-

nectadas –ZNI en Colombia, EPSA – Empresa de Energía de Pacifico S.A, realizó un proyecto piloto en una zona de río a la salida del agua turbinada en la central hidroeléctrica de Salvajina, la cual tiene una capacidad de generación de 280 MW. Este proyecto se hizo con el objetivo de adquirir el co-nocimiento del desempeño de un sistema híbrido que uti-liza una microturbina de río y un sistema fotovoltaico bajo condiciones controladas.

La microturbina tiene una capacidad instalada de 5 kW y el sistema de paneles solares una capacidad de 1 kW. Estas fuentes suministrarán energía para alimentar algunas car-gas de la casa de máquinas.

In his quest to identify different technologies to supply energy to areas not interconnected -ZNI in Colombia, EPSA - Pacific Power Company SA conducted a pilot pro-ject in an area of the river to the output of turbine water the hydroelectric plant Salvajina which has a generating capacity of 280 MW, this in order to acquire knowledge of the performance of a hybrid system that uses a micro-turbine river and photovoltaic systems under controlled conditions.

The microturbine has an installed capacity of 5 kW and solar panel system a capacity of 1 kW. These sources supply energy to power some loads of the powerhouse.

Palabras Clave

Microturbina de río, generación hibrida,

generación distribuida, paneles solares.

Keywords

River microturbine, hybrid generation,

distributed generation, solar panels.

Sandra Ospina ArangoEmpresa de Energía del Pacifico S.A

Alberto AriasEmpresa de Energía del Pacifico S.A

Edwin CuervoEmpresa de Energía del Pacifico S.A

Carlos QuicenoEmpresa de Energía del Pacifico S.A

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I. INTRODUCCIÓN

El sistema híbrido, está compuesto por una micro-turbina de rio de 5 kW y un sistema fotovoltaico de 1 kW, el cual está diseñado para aprovechar la energía cinética de los ríos y la radiación solar con el fin de generar electricidad en zonas aisladas a pequeña escala.

La turbina produce electricidad directamente en corriente alterna y no necesita caídas de agua, infraestructuras adicionales, ni grandes gastos de mantenimiento, esto le permite competir con los generadores diesel en un sistema aislado. El hecho de estar especialmente diseñada para minimizar su impacto sobre los ríos y su hábitat la convier-te, además, en una tecnología limpia y respetuosa con el medio ambiente.

En la primera parte de este artículo se describe cada uno de los componentes del sistema, sus características principales y sus características de operación, después se procede a ilustrar el proce-so de instalación y conexionado del sistema hibri-do en general y cómo se acopla cada una de las fuentes de generación de acuerdo con las condi-ciones climáticas del entorno, a continuación se procede a destacar los resultados obtenidos en la operación para finalmente compartir las conclu-siones que se obtienen de esta experiencia.

II. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN

La ejecución del proyecto consiste en la implemen-tación de dos sistemas de generación, que utilizan diferentes fuentes de energía como la hídrica y la so-lar y que además sean complementarios entre sí, a continuación se describen las características de los principales elementos que componen el sistema:

A. Microturbina y sus componentes: La microturbina de origen alemán (Fig. 1), está dise-ñada de forma que no bloquea el flujo de agua en el río, y por lo tanto no representa obstáculo para la mi-gración de peces o sus patrones de desove. Además la turbina puede ser elevada o sumergida en el agua para ajustarse a diferentes condiciones de flujo.3

La turbina de 5kW construida por SHP – Smart Hydro Power - está construida alrededor de un robusto sis-tema de generador de eje horizontal.El diseño de la microturbina se optimizó con el volu-men del equipo más pequeño posible que fuera ca-paz de generar hasta 5 kW con una velocidad del río de alrededor de 2,7 m/s.El anclaje para las instalaciones flotantes se puede lograr con el sistema de anclaje al vacío o mediante la fijación de estructuras existentes.

Figura 1. Microturbina de río4

Tabla 1. Características de la microturbina.4

Figura 2. Curva de potencia del generador4

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1. Controlador microturbinaEl controlador utilizado fue el Clipper, que protege re-guladores de carga y otros dispositivos electrónicos de detección de la tensión de entrada de la turbina y el uso de sus cargas internas, según sea necesa-rio paramantener siempre la tensión de entrada a un valor establecido. El Classic utiliza su salida auxiliar para controlar el controlador y proporcionar un ren-dimiento óptimo. La carga interna debe ser dimen-sionada de acuerdo con la turbina que se utiliza para proporcionar frenado adecuado y no sobrecargar la microturbina. Cuando el control deslizante en el lado del controlador se encuentra en la posición de para-da de la tensión de entrada (corriente continua o tri-fásica) se mantiene a cero voltios para proporcionar una frenada de emergencia.

Figura 3. Equipo controlador Microturbina7

B. Sistema fotovoltaico.El sistema solar fotovoltaico se implementó con una composición de 8 módulos policristalinos de 210 W5 en la terraza del taller electromecánico de la central de salvajina. Esta ubicación nos permite un punto cercano entre la fuente y la carga, lo cual es funda-mental para un óptimo desempeño de la tecnología.

Figura 4. Instalación de los paneles en sitio.

1. Inversor:Se instaló un inversor combinado Steca Xtender de 5kW que tiene funciones de inversor, de cargador de batería, de conmutación y de apoyo de fuentes de corriente alterna externa. Estas funciones pueden controlarse de forma combinada y totalmente auto-mática presentando un excelente aprovechamiento de la energía disponible.6

Figura 5. Inversor del sistema 5 kW

2. Baterías:Se instaló un banco de acumulación de 500 AH a 48 Vdc, compuesto por 24 baterías MSJ 500.

Figura 6. Banco de baterías de sistema.

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III. PROCESO DE INSTALACIÓN

Para el proceso de instalación se identificaron los si-guientes requisitos básicos de un río o curso de agua para realizar la instalación de la microturbina:• Profundidad mínima del río: 1,8 metros• Ancho mínimo: 2 metros• Rango de velocidad de la corriente de agua: 1 a 3,5 m/s

Se validaron estas características en la región del Valle del Cauca y se definió instalar la microturbina en la salida de la central hidroeléctrica de Salvajina, además esta locación presentaba las siguientes ven-tajas para el piloto:

• La posibilidad de tener un caudal regulado y per-manente por la condición de esta central (cumple la función de regular el caudal del rio Cauca).• Vigilancia y monitoreo permanente por parte del personal de seguridad, de operación y mantenimien-to de la central.

Teniendo definido la Central como punto del piloto, se procedió a identificar el mejor lugar para realizar el conexionado del sistema fotovoltaico, evitando las sombras y obteniendo una distancia cercana a la carga por lo cual se definió el techo del taller me-cánico Fig. 4.

A continuación se realizó una selección de las cargas aprovechando los elementos del taller electromecá-nico, definiendo las siguientes:

• Estufa de dos boquillas (1) • Esmeril (1) • Nevera (1) • Enfriador de agua (1)• Bombillos (10) • Calentador de agua (1)• Extractor (1)

Teniendo los sitios definidos, se realizó un plan de montaje de la microturbina, con los posibles sitios de anclaje, distribución del cableado eléctrico y co-nexiones a las diferentes cargas.

Figura 7. Microturbina armada y lista para trasladar al rio

Durante el montaje hubo diferentes situaciones a corregir, relacionadas con la posición que se requie-re que tenga la microturbina, evitando inclinaciones hacia atrás o los laterales como se presenta en las Fig. 8 y Fig. 9. Una de ellas fue en el ajuste del anclaje inicial.

Figura 8, Inclinación de la microturbina hacia la salida del gene-rador.

Figura 9. Problemas de estabilidad en la instalación.

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Para corregir esto se realizaron ajustes en el sistema de amarre de la microturbina, obteniendo el equili-brio requerido para su correcta operación, como se muestra en la fig. 10.

Figura10. Vista lateral del funcionamiento actual del anclaje

Teniendo los sistemas de generación instalados se continuó con la disposición del sistema de conver-sión, almacenamiento y monitoreo, el cual se ubicó en un sitio central que permitía realizar los cambios de configuración requeridos para llevar a cabo todas las pruebas.

Figura 11. Cuarto de control y seguimiento del sistema de gene-ración hibrida

IV. RESULTADOS Y ANÁLISIS.

En un periodo de seis meses se realizaron varios ajustes en la configuración del sistema y se obtuvie-ron diferentes condiciones climáticas que permitie-ron validar el correcto funcionamiento del sistema hibrido, a continuación se presentan algunos de los resultados del piloto:

A. Microturbina:A continuación se muestra la generación de energía de la microturbina en los meses de noviembre de 2013 a febrero de 2014:

Figura 12. Energía mensual producida por la microturbina

De la gráfica anterior se resalta que solo en el mes de enero se tuvo operación continua de la microturbina y se obtuvo el mejor registro de energía generada 901 kWh, teniendo este referente a continuación se muestra el detalle de generación diaria en enero de 2014:

Figura 13. energia producida a diario en el mes de enero por la microturbina.

En la gráfica anterior se puede visualizar el día con mayor generación, el 16 de enero, en el que se alcan-za un pico de 40,5 kWh, si se tuviera un caudal ho-mogéneo durante todo el mes, igual al obtenido ese día, se tendría una generación total mes de 1257,6 kWh que representa un aumento del 39% al obtenido en dicho mes de operación.

La generación diaria de la microturbina depende di-rectamente de la variación en el caudal del río, en nuestro caso dicha velocidad depende del despacho

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diario de la planta Salvajina, esta relación se visualiza con un ejemplo de generación diaria, a continuación se presenta el 8 de enero de 2014:

Figura 14. energía producida por la microturbina en 8 de enero de 2014

En la Fig. 14 se pueden apreciar los cambios en la ge-neración de la microturbina de acuerdo con los cam-bios en el caudal del rio y los picos que se presentan cuando se producen estos cambios.

En el piloto los cambios en el caudal del rio, depen-den únicamente del número de turbinas despacha-das en la Central de Salvajina, esta relación se apre-cia en la siguiente tabla de velocidad del río versus número de turbinas despachadas.

TABLA II. Relación entre turbinas despachadas de la planta y la velocidad del río.

Comparando la Fig. 14 donde se muestran los tres casos típicos de velocidad del agua y la Fig. 2 que representa la curva de potencia del generador, se en-cuentra una correcta relación en la generación de la microturbina en relación con la velocidad del río, ob-teniendo un desempeño adecuado de la tecnología.

B. Sistema FotovoltaicoEn el sistema solar se tiene una capacidad instalada de 1.6 kWp, la cual varía de acuerdo con la radiación solar que impacta la superficie del módulo, dicha radiación

se ve afectada por las condiciones climáticas que se presenten en el lugar, esto produce caídas y picos en la curva de generación diaria del sistema tal como se aprecia en la Fig. 15, en la cual se observa el perfil de generación diaria del sistema en dos días de octu-bre. Además se destaca que la media de generación del sistema fotovoltaico en un día es aproximado a 5 kWh.

Figura 15. Perfiles de generación del sistema fovoltaico

C. Sistema hibridoA continuación se ilustra el comportamiento del sis-tema hibrido en conjunto en un día de operación:

Figura 16. Generación del sistema hibrido en un día de operación

26/11/13

En este día se obtuvo una generación por parte de la microturbina de 8.827 kWh y en el sistema fotovol-taico 5.6 kWh

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El sistema hibrido se debe diseñar de acuerdo con los requerimientos de la carga y los recursos hídri-cos y solares que se tengan en el sitio de instala-ción. Partiendo de un análisis técnico/económico de la implementación de dichas tecnologías o validar la inclusión de otro tipo de tecnologías como la eólica, biomasa que puedan tener un mejor desempeño en el entorno de la implementación.

V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Ambos sistemas de generación operan de forma continua de acuerdo con el recurso solar e hídrico y en el caso que alguno de los dos deje de operar por falla el otro seguirá operando de forma indepen-diente.

Los sistemas requieren de un sistema periódico de limpieza de los equipos, en el caso de la turbina se requiere que trimestralmente se retiren las hojas o los residuos que se van asentando y en los pane-les de forma semestral realizando limpieza sobre los módulos fotovoltaicos.

Los valores de armónicos generados por ambos sis-temas están por debajo de los valores límites esta-blecidos por la norma IEEE std 519-92

Se ve una relación de complemento entre los dos sistemas de generación, esto se debe principalmen-te a que en las épocas de lluvia en el rio se presenta un caudal alto y constante, por otro lado se incre-menta el tiempo donde se tiene un cielo nublado lo cual disminuye la generación del sistema fotovoltai-co, y en el otro escenario se tiene un sol constante en el transcurso del día, pero de ser permanente en el tiempo sepresenta una disminución en los caudales del río.

El sistema implementado permite la inclusión de otras fuentes de generación que permitan diversifi-car la matriz de generación de acuerdo con los re-cursos disponibles en el sitio donde se va a llevar a cabo la ejecución del proyecto.

VI. REFERENCIAS

[1] 519-1992 - IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems; April 9 1993, 978-0-7381-0915-2

[2] Smart Hydro Power, Micro Hidroeléctrica Cí-netica; 2014.

[3] http://biod2.files.wordpress.com/2012/12/shp-detalles-de-turbina-rio-proy-espac3b1a-2013.pdf

[4] Micro Hidroeléctrica Cínetica, Brochure 2014, http://www.smart-hydro.de/de/product/turbi-ne.html

[5] Ficha tecnica, Yingli Solar YL 210 P-26b / 1495x990 SERIES, 2014.

[6] Ficha tecnica, Inversor fotovoltaico STECA http://www.archiexpo.es/prod/steca-elektronik/in-versor-fotovoltaico-cadenas-trifasico-instalacion-re-sidencial-74408-1307345.html.

[7] Clipper Manual - Midnite Solar, https://www.yumpu.com/en/document/view/34128315/cli-pper-manual-midnite-solar

VII. RESEÑA DE AUTORES

SANDRA OSPINA Ingeniera eléctricista de la universidad del valle, Ma-gíster de Generación de Energía. Gerente de Proyec-tos, Calidad e Innovación EPSA ESP

ALBEIRO ARIASIngeniero electricista, Gerente de Crecimiento y De-sarrollo EPSA ESP

EDWIN CUERVOIngeniero electricista de la universidad del Valle, Es-pecialista en sistemas de transmisión y distribución de energía eléctrica Universidad del Valle. Analista de Proyectos e Innovación. EPSA ESP

CARLOS QUICENO Biologo Universidad del Valle, estudios Ambientales EPSA ESP