Implementación Energía eólica, aplicando Sistema híbridos

Fuentes renovables-energia eolica

7 Sistemas de energía híbrido eólico-fotovoltaicos

 La energía fotovoltaica (PV) ofrece a los consumidores la capacidad de generar electricidad de forma limpia, silenciosa y segura por una conversión directa de energía de la luz solar en electricidad. Este capítulo comienza con una breve presentación de los recursos solares y eólicos, mientras que se presta especial atención a su complementariedad. Después de discutir su diseño, se presenta cada subsistema y se discute el cálculo del costo del kWh. Se muestran métodos óptimos para el tamaño del sistema híbrido y por último, se presentan dos estudios de casos para ilustrar los distintos puntos analizados en el capítulo.

Contenido

7.1 Introducción

7.2 los recursos energéticos renovables y su potencial

7.3 Diseño y configuración de un sistema de energía híbrido eólica-fotovoltaico

7.4 Modelización y simulación de un sistema de energía híbrido eólica-fotovoltaico

7.5 Dimensionado y optimización de un sistema de energía híbrido eólica-fotovoltaico

7.6 Sistema de energía híbrido eólico-fotovoltaico: estudios de caso

7.7 Las tendencias futuras

7.8 Conclusiones

7.1 Introducción

Los recursos energéticos solares y el viento varían mucho en el tiempo y no suelen coincidir con la distribución del tiempo de la carga, la fotovoltaica (PV) o sistemas de energía eólica por sí solos deben ser demasiado grandes si cada sistema se utiliza por separado, dando lugar a altos costos de energía eléctrica. La integración de la energía solar y eólica en el mismo sistema atenúa las fluctuaciones en la energía producida, mejorando el rendimiento total del sistema y la fiabilidad, y significativamente reducen el tamaño del almacenamiento necesario. Los sistemas PV-eólicos a menudo incorporan un generador convcnional y un sistema de almacenamiento de energía. Por supuesto, el dimensionamiento de tal sistema es mucho más complicado que el de un sistema de fuente única debido al mayor número de variables y parámetros que deben ser considerados en el diseño óptimo.

El diseño de este sistema consiste en la determinación de los valores óptimos para la potencia nominal del aerogenerador, la energía fotovoltaico pico y la capacidad de almacenamiento (y a veces también las características del generador) que cumpla con las condiciones de confiabilidad requeridos para el sistema. En las siguientes secciones se presenta una breve presentación de ambas fuentes de energía solar y eólica, así como de cada subsistema. Además se incluyen ciertas consideraciones del tamaño óptimo de un sistema híbrido.

7.2 los recursos energéticos renovables y su potencial

Actualmente la energía solar y eólica son aceptadas como confiables y ampliamente utilizadas como fuentes de energía renovables. No existe un sistema renovable que pueda llevarse a cabo sin un estudio preciso de los recursos disponibles debido a la alta variabilidad de las dos fuentes. En un sistema de energía eólico-PV, el problema es doblemente importante debido a la presencia de las dos fuentes de energía Jebaraj y Iniyan (2006).

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Los componentes de la radiación solar para cielos despejados y nublados se muestra en la figura. 7,3. La radiación solar global horizontal es la forma más comúnmente medida. Dependiendo del objetivo (ya sea por tamaño, comportamiento de simulation, etc) el tiempo de paso de los datos meteorológicos útiles varía de horas a las medias diarias de datos mensuales.. La irradiación solar sobre superficies no horizontales es mucho menos disponible, y es difícil de modelar, debido al efecto de la anisotropía de la radiación difusa sobre la cúpula del cielo. La conversión de la radiación solar a partir de la horizontal al plano inclinado se realiza mediante el uso de modelos precisos de valores medios mensuales (INES, 2009), mientras que los métodos menos confiables se utilizan para los datos medidos sobre una base horaria (Notton et al., 2006). Además, los datos solares también se pueden encontrar en la web (NASA, 2009; NREL, 2009; Universidad de Massachusetts Lowell, 2009).

El conocimiento de la posición del sol permite que dos piezas de información útiles que se pueden obtener: la inclinación óptima de los paneles solares y un diagrama de energía solar para el cálculo de sombreado de los módulos fotovoltaicos. La posición solar se calcula a partir de diferentes ángulos, como la declinación, ángulo cenital y el ángulo horario (Iqbal, 1983). La inclinación óptima depende de la latitud, φ, en la distribución estacional de la carga y de las condiciones meteorológicas del lugar. Por largos períodos sin marcadas condiciones climáticas estacionales, la estimación de los efectos de inclinación se basan en cálculos de irradiación directa extraterrestre, con el fin de evitar el uso de un modelo de radiación difusa; en estas condiciones, la inclinación depende de φ , para invierno , φ + 10 °  y para verano φ – 10 °, (Duffie & Beckman, 2006). La figura 7.4 muestra el impacto del ángulo de inclinación (por Ajaccio, Francia) en la irradiación solar extraterrestre y la tierra.

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Es útil para estimar el sombreado con un diagrama solar: La fig. 7.5 traza la trayectoria aparente del sol en el cielo para una latitud dada, punto por punto, indicando las horas, en la hora solar local actual. Para poner las máscaras o sombras de la trayectoria del sol en el diagrama, la altura y el azimut de algunos puntos importantes se midieron, incluyendo una casa y un árbol, como se muestra en la figura. 7,5. En este ejemplo, la casa va a dar sombra a la instalación fotovoltaica cuando el sol esté en el mediodía solar el 21 de diciembre. Existen numerosos programas de PV que integran el cálculo de sombreado solar.

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7.2.2 Viento fuente de energía
La energía del viento por unidad de área de sección transversal durante un período de tiempo Dt es:

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donde el aire densidad ρa = 1,23 kg m-3 a 15 ° C y al nivel del mar.

La temperatura ambiente, presión y humedad del aire influyen en la densidad del aire. Esta energía no puede ser utilizado en su totalidad por una turbina de viento, ya que sólo la energía disponible entre el corte y corte-velocidades es útil. La salida de energía de una turbina eólica se obtiene mediante el acoplamiento de la velocidad del viento y la curva de distribución de probabilidad de la turbina de potencia, como se ve en la fig. 7,6.

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Las funciones de densidad de probabilidad de Weibull son de uso común y ampliamente adoptadas (Celik, 2003; Chang y Tu, 2007;. Ngala et al, 2007; Bagiorgas et al, 2007;. Elamouri y Ben Amar, 2008; Kaldellis, 2008), esta función es un caso especial de la distribución gamma y se caracteriza por su función de probabilidad densidad f (v) y la función de distribución acumulada F(v) en las fórmulas siguientes:

distribución acumulada

donde A es el parámetro de escala (en ms-1), k es el parámetro de forma adimensional y V la velocidad del viento.

El método más común para calcular los parámetros de la distribución de Weibull se basa en el uso de la ecuación 7,4, realizando el cálculo logaritmo dos veces por los dos términos de la ecuación y luego se emplean un método de mínimos cuadrados para calcular los dos coeficientes, A y k (Fig. . 7,7), que  caracterizan el potencial eólico de un emplazamiento.

Dado que las mediciones de viento más disponibles velocidad se realizan cerca del suelo (por lo general a 10 m) es necesario extrapolar el perfil de velocidad del viento dentro de la capa límite atmosférica de la superficie. La extrapolación más común se basa en una ecuación de la velocidad de ley de potencia ampliamente utilizada por los ingenieros dada su simplicidad matemática (Justus et al, 1976; Zoumakis, 1993.):

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donde α depende de la topografía y las condiciones climáticas, V y V0 son las velocidades del viento a una altura z y  z0 respectivamente (tal que z0 es la altura de referencia).

7.2.3 Complementariedad de los recursos renovables

 

El mayor problema para un uso independiente de la energía eólica y energía solar es su discontinuidad: un sistema de energía solar por sí sola no puede proporcionar una fuente continua de energía debido a su baja densidad de energía, el periodo nocturno y durante el invierno, mientras que un sistema de energía eólica no puede satisfacer la demanda de carga constante, debido a las diferentes magnitudes de la velocidad del viento de una hora a otra. En general, las variaciones o fluctuaciones de la energía solar y la generación de energía eólica no coinciden con la distribución del tiempo de demanda de carga sobre una base continua. La naturaleza complementaria de los recursos eólicos y solares en USA fue examinado ya en 1981 por Aspliden (1981), y un estudio más reciente fue realizado por Reichling y analista Gregory Kulacki (2008). Se prestó especial atención a la complementariedad de las fuentes de energía en los sistema eólicos/PV (Aspliden, 1981; Katti y Khedkar, 2007; Gilau & Small, 2008; Mahmoudi et al, 2008;. Reichling y analista Gregory Kulacki, 2008). La variabilidad anual de estas dos fuentes se ilustra en la figura. 7,8 (para Ersa, Francia).

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La combinación de energía solar y eólica en una planta de energía híbrida ayuda a suavizar las las variaciones o fluctuaciones de generación. La decisión de utilizar o no, ambos recursos también depende de la carga que debe suministrarse, ya que el objetivo es hacer que el consumo de producción sea equivalente al generado. En realidad, en la mayoría de los casos, es deseable que las dos fuentes sean complementarias. En este estudio, primero se cuantificar esta complementariedad sobre una base mensual, y en segundo lugar sobre una base horaria en un análisis mensual y anual a partir de datos horarios de radiación solar por unidad en un plano horizontal, y con la velocidad medida del viento a 10 m del suelo.

No se puede comparar cuantitativamente la energía eólica por unidad de área de sección transversal (Ec. [7,2]) y la energía solar por unidad de área en un plano horizontal, porque las dos áreas unitarias no se refieren al mismo tipo de superficie. Por lo tanto, en un primer momento, se observó la variación de los dos recursos renovables sobre una base mensual: lo que quería ver era que, durante un mes sin sol (en invierno), la energía eólica fue mayor que durante los períodos soleados.

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