Un modelo para la ubicación de microaerogeneradores a escala comunal

Dra. Laia Ferrer1, Dr. Rafael Pastor1, Ms. Rodrigo Sempertegui2, Dr. Enrique Velo1

1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUNYA, ESPAÑA

2 UNIVERSIDAD DE CUENCA, ECUADOR

XV SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR (XV SPES)Cajamarca, 12 de noviembre del 2008

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Índice

Introducción Propuesta de solución Modelización Proceso de resolución Aplicación a un caso práctico Resultados Conclusiones y extensiones

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Introducción

Actualmente se están implementando proyectos de electrificación rural mediante energía eólica que se basan en la instalación microaerogeneradores individuales, por punto de consumo.

Limitaciones En algunos puntos de consumo

la energía generada puede serinsuficiente por falta de recurso

No se considera utilizar aerogenadores de mayor potencia para varios puntos de consumo

No considera puntos o familias de mayor/menor consumo

No es fácilmente adaptable a un incremento de la demanda

Tipos de microaerogeneradoresTipos de puntos de consumo

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Propuesta de diseño de solución

La definición de un proyecto que combine el suministro de electricidad en una o varias microrredes y de puntos asilados de generación, en la que se considere el viento en los distintos puntos y la demanda de cada consumidor

No condiciona el consumo de unafamilia al recurso eólico disponible en la ubicación de la casa

Puede ahorrar costes utilizandoequipos grandes que distribuyan a varios puntos de consumo

Puede considerar demandas diferentes de diferentes puntos

Puede ser más fácilmente adaptable a incrementos de consumo

Tipos de puntos de consumo

Tipos de microaerogeneradores

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Propuesta de diseño de solución

Ejemplo: El Alumbre

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Modelización

Modelo de programación lineal entera y mixta (PLEM)

Método para formular matemáticamente un problema de optimización combinatoria

Explorar diferentes combinaciones de ubicación de cada tipo de máquina de las microrredes de distribución que serian necesarias, considerando el recurso y los puntos de demanda

Ventajas Permite modelar problemas muy amplios y su diseño es

modular Permite su resolución óptima con software especializado

Se basa en la definición de un conjunto de: Parámetros: especifican los datos de entrada del problema Variables: definen la configuración de la solución Función Objetivo: define el criterio de resolución Restricciones: especifican el conjunto de condiciones que deben

cumplirse para que la solución sea factible

Estructura del modelo

Modelo de programación lineal

Entradas

Variables

Aerogeneradores:Localización y puntos de

consumo a los que suministra energía

Microrred: diseño, conductores utilizados

Parámetros

Tipos de aerogeneradores:Coste adquisición,

características técnicas

Microrred: conductores, postes, costes y características

Recurso eólico disponible:Energía generada por cada

aerogenerador en cada punto

Baterías, inversores, reguladores, características

Función objetivo

Coste inicial

Energía generada

Restricciones

Salidas

Puntos de consumo: Distancias, localización,

Demanda

Especificaciones técnicas:Caídas tensión,

inversores, reguladores, baterías

Resultados

Energía generada

Coste

Satisfacción de la demanda

Coste reposición

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Consideraciones para la modelización

Los tipos de aerogeneradores diferencian tanto modelos como diferentes alturas de colocación de la turbina, dentro de un mismo modelo.

La energía se almacena en baterías situadas en el mismo punto de generación. Su capacidad viene dada por la demanda, por la autonomía y el porcentaje de descarga. Cada banco tiene un regulador de carga.

Todos los puntos de consumo requieren la misma autonomía. Sistemas de respaldo individuales pueden apoyar a puntos de consumo especiales.

La distribución de electricidad (generación-consumo) se realiza en corriente alterna monofásica, a la tensión de consumo. En cada banco de baterías un inversor transforma a corriente alterna a la tensión de consumo.

Como costes económicos se consideran la inversión inicial y la reposición de baterías, inversores y reguladores durante la vida útil de la instalación.

Los costes de operación, mantenimiento y acometida no se incorporan en el modelo porque no dependen significativamente de la solución.

Las pérdidas de energía en equipos se incorporan como un factor aplicado a la demanda. Las pérdidas de potencia se consideran compensadas por el factor de simultaneidad.

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Modelo de Programación Lineal

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

QP A N P C P B N P I N P R N

a pan pq c pqc b pbn i pin r prnp a n p q c p b n p i n p r n

CInicial CA xa L CC xc CB xb CI xi CR xr= = = = = = = = = = = = = = =

= + + + +∑∑∑ ∑∑∑ ∑∑∑ ∑∑∑ ∑∑∑aerogeneradores conductores baterías inversores reguladores

1 1 1

1,...,A N P

pa pan p qpa n q

EA xa ED y p P= = =

≥ =∑∑ ∑- Demanda

1 1 1

1,...,B N P

b pbn q qpb n q

VBEB xb ED y p PDB= = =

≥ =∑∑ ∑- Baterías

1 1

(1 ) 1,..., ; 1,...,C C

pq c pqcp q pqc

c cn

L RC fpv v M xc p P q P

V= =

− ≥ − − = =∑ ∑- Caída tensión

1 1 1 1

1,...,A N I N

a pan r prna n i n

IA xa IR xr p P= = = =

≤ =∑∑ ∑∑

1 1 1

1,...,P I N

p qp i pinq i n

FS PD y PI xi p P= = =

≤ =∑ ∑∑

- Inversores

- Reguladores

Función objetivo

Restricciones

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Proceso de resolución

Proceso de resolución secuencial:

Permite la elección entre soluciones de mínimo coste y alternativas que valoren la cantidad total de energía generada.

FO: Min Coste

Solución S1Coste C1

FO: Max EnergíaCoste = C1 + margen

Solución S2Coste C2

Comparar solucionesC1-C2 / S1/S2

Solución definitiva

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Ejemplo: El AlumbreProyecto de electrificación mediante microaerogeneradores de la comunidad de El Alumbre (sierra norte de Perú). Promotores: Soluciones Prácticas – ITDG (Perú), Ingeniería Sin Fronteras – Cataluña (España).

Demanda: Una escuela (1000 W, 2000Wh/día) y 21 domicilios (300W, 400Wh/día). Aerogeneradores: IT-PE-100 (100W a 6,5 m/s) y SP-500 (500W a 7 m/s);7m de altura. Baterías:113Ah, 12v; autonomía requerida: 2 días. Conductores de aluminio sin aislamiento de secciones entre 8 y 16 mm2 Tensión: 220v nominal, (210v mín, 230v máx); caída de tensión máx 4,5% Inversores: Inversor 1: 300W, Inversor 2: 1000W; Rendimiento 70%. Reguladores: Regulador 1: 35A, Regulador 2: 60A

No se tiene en cuenta los costes de reposición de equipos y considera solo el objetivo de minimizar costes, a fin de comparar con el diseño del sistema real.

Aplicación a un caso práctico

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Ejemplo: El Alumbre

Aplicación a un caso práctico

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Datos de Entrada - Recurso eólico

Modelo utilizado: WAsP Energía generada por cada tipo de aerogenerador en cada punto Cálculo a partir del mapa de viento a microescala a partir de:

Datos de viento medidos de un anemómetro Orografía del terreno

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0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30 35

0

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0 5 10 15 20 25 30 35

Datos de Entrada- Recurso eólico

Ubicación de los aerogeneradores: Caso 1: los puntos de consumo Caso 2: los puntos de consumo y los puntos de la cuadrícula

Cuadrícula de 500 m de resolución, con un área de 3,5 km x 3,5 km. Algunos nodos no se consideran por estar demasiado alejados

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Resultados

Soluciones: Caso 1: 6 aerogen. de 500 W y 2 de 100 W, 24167 Wh/día, $24035. Caso 2: 6 aerogen. de 500 W y 1 de 100 W, 22139 Wh/día, $23681.

Ambas soluciones tienden a utilizar aerogeneradores de mayor potencia para cubrir la demanda de varios domicilios (entre 3 y 5).

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Resultados

Las 2 soluciones encontradas reducen los costes de inversión inicial y aumentan la energía total generada frente al caso base (aerogeneradores individuales).

El coste de la solución del caso 1 es ligeramente superior al del caso 2, pero la energía generada en el caso 1 es significativamente mayor.

Caso base Caso 1 Caso 2 Puntos de consumo 1 escuela

21 domicilios 1 escuela 21 domicilios

1 escuela 21 domicilios

Posibles puntos de generación

22 22 69

Solución: aerogeneradores 1 SP-500 21 1T-PE-100

6 SP-500 2 1T-PE-100

6 SP-500 1 1T-PE-100

Coste [$] 26140 24035 23681 Energía total generada [Wh/día]

18249,31 24167,12 22139,72

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Conclusiones

Se presenta un modelo el diseño de sistemas de electrificación rural basados en la utilización de energía eólica. El modelo resuelve las diferentes combinaciones de ubicación de aerogeneradores y diseño de microrredes para satisfacer la demanda minimizando el coste.

Se ha desarrollado un modelo de programación lineal entera y mixta, que ha sido validado mediante su aplicación al caso real implementado en la comunidad de El Alumbre, en la sierra norte del Perú.

Los resultados obtenidos proponen soluciones que reducen los costes de inversión inicial, aumentan la producción de energía generada respecto al caso base implementado (aerogeneradores individuales).

Las soluciones encontradas tienden a utilizar los equipos de generación de más potencia para suministrar energía a varios puntos de consumo con pequeñas microrredes.

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Extensiones

Afinar la definición del sistema mejorando el cálculo de los costes y incorporando los costes de operación y mantenimiento dependientes de la solución y las pérdidas de energía en la red.

Ampliar el modelo permitiendo que los bancos de baterías no sean instalados en los puntos de generación e incorporando una posible red de distribución a media tensión.

Adaptar el modelo a sistemas híbridos que combinen la generación de energía eólica, solar, hidráulica y térmica.

Optimizar la modelización y estudiar procesos complementarios que aceleren la resolución, para resolver de forma óptima problemas o ejemplares de mayor tamaño.

Muchas gracias

Un modelo para la ubicación de microaerogeneradores a escala comunal

Dra. Laia Ferrer1, Dr. Rafael Pastor1, Ms. Rodrigo Sempertegui2, Dr. Enrique Velo1

1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUNYA, ESPAÑA

2 UNIVERSIDAD DE CUENCA, ECUADOR

XV SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR (XV SPES)Cajamarca, 12 de noviembre del 2008