Abstract
En la era actual, usar fuentes de energía renovables ayuda a la conservación del medio ambiente y reducir costos en la producción energética, este tema tiene estrecha relación referente al consumo energético de un país debido a que pode- mos emplearlo como un indicador de su grado de desarrollo. Garantizar la disponibilidad de suministro eléctrico de forma continua en sectores aislados, resulta muy costoso si utilizamos generadores eléctricos como única fuente de producción debido a que estos emplean combustibles fósiles derivados del petróleo para su funcionamiento, enfatizando esta problemática se analiza implementar un sistema de Micro-red en estos sectores brindando otras alternativas para suministrar energía, evitando así la dependencia de un solo sistema de generación.
I. Introducción
Atreves del tiempo, el hombre ha innovado nuevas formas y tipos de tecnología que han sido un referente para el desarrollo industrial social y económico de la humanidad el mismo que no hubiese sido posible sin la intervención de la electricidad, formando así parte de nuestro estilo de vida la utilización de aparatos eléctricos y electrónicos que tienen como fuente de alimentación la energía eléctrica. Por lo tanto, las empresas suministradoras se han visto en la necesidad de buscar nuevas fuentes de energía renovable para cumplir con las demandas energéticas que las actuales y futuras generaciones requieran. El uso de energías renovables representa una solución fiable a la necesidad de cubrir el déficit energético partiendo de las más simples formas de generación, tales como la utilización de energía fotovoltaica que sin necesidad de una gran inversión económica dotaría de electrificación rural en zonas remotas con difícil acceso a redes eléctricas existentes. La implementación de Micro-redes ayuda en la optimización y el manejo inteligente del servicio eléctrico, debido a que pueden generar energía independientemente, además con la capacidad de operar en forma aislada cuando se produce un corte energético de la red de distribución convencional, además de aprovechar los recursos naturales y reducción de contaminación.
Siendo la micro-red parte de un gran sistema llamado Smart Grid , que esencialmente está dotando de inteligencia a la red de suministro eléctrica mediante el uso de equipos informáticos con el objetivo de brindar una comunicación bidireccional entre el consumidor final y las compañías que están a cargo de la generación y distribución eléctrica.
La energía almacenada durante la etapa de funcionamiento de los sistemas de generación, podremos utilizarla en espacios públicos para los sectores aislados que utilizan mecanismos de producción eléctrica tradicionales que manipulan combustibles fósiles creando desbalances económicos.
II. Smart grid
Se define, Smart Grid como una red confiable de energía avanzada, que tiene como objetivo principal mejorar la red de distribución de energía eléctrica de forma que tenga una utilización responsable y eficiente mediante la aplicación tec- nologías acorde con los adelantos del siglo XXI.[1], [9]
Figure 1. Sistema Smart Grid [12]
El tipo de comunicación que este sistema utiliza es Bidi- reccional tanto de energía como de información en los que estan inmersos la empresa y el consumidor final de la energía eléctrica, que por lo general son particulares como usuarios de vivienda o industrias.[17] Según estudios realizados por la empresa Galvin & Yeager en Estados Unidos afirman que las tecnologías Smart Grid reducirían gradualmente los costes en el suministro de energía eléctrica trayendo consigo también una reducción en costos de infraestructura aproximadamente de un tiempo mínimo de 20 años.[1] La solución ambiental que la tecnología Smart Grid brinda, ha despertado el interés de varios países en desarrollar políticas y reglamentos que para atreves de campañas de concienti- zación sobre la problemática ambiental que son producidos por los gases de efecto invernadero [18] emitidos por los combustibles utilizados para la generación de energía.
De ahí la necesidad de ulitizar una fuente de energía limpia que sea amigable con el medio ambiente reduciendo significativamente las emisiones de carbono en respuesta a la demanda y gestión de carga en la red eléctrica.
A. Micro-redes.
La solución ante una necesidad de renovación energética también representa varios obstáculos o elementos a tomar en cuenta como es la trasmisión de la energía desde las centrales eléctricas hasta los puntos de carga, así como también el sistema de reabastecimiento generado por acción Solar. La integración de Microrredes al sistema de energías distribuidas brinda la capacidad de operar en forma autónoma, aislada con el sistema de reabastecimiento o en coordinación con la empresa suministradora mejorando la calidad del servicio y optimizando la confiabilidad del sistema ya que las Micro- redes reducen el flujo de potencia que se encuentran tanto en las líneas de trasmisión y distribución mejorando los costes de energía adicional.[18], [11].
Figure 2. Sistema Conectado por Micro-redes (Bidireccional) [10]
Una Micro-red basa su funcionamiento en la captación de Energía Solar mediante paneles fotovoltaicos, los mismos que generan una cierta corriente (DC) que a su vez alimenta un regulador, este dispositivo funciona de forma similar a un transformador común que mantendrá estable el voltaje [8]generado por el panel fotovoltaico, el mismo que conducirá el voltaje a un sistema de baterías para su posterior alma– cenamiento. Una vez almacenada la corriente directa (DC) antes su conexión a la MR, debe ser convertida a corriente alterna(AC) mediante la utilización de un inversor, esta última forma de corriente es la que alimentara a la MR.[4] Ventajas y desventajas de las Micro-redes.:
Ventajas.:
• Tiene la capacidad de separar y aislar cualquiera de los dos sistemas ya sea por fallo o perturbaciones en la red de suministro o de reabastecimiento con muy poco o ninguna interrupción de cargas que están inmiscuidas en la micro- red.
• Destacables beneficios ambientales mediante la uti- lización de generadores con emisiones de gases cero.
• Eficiencia en el uso de electricidad y reducción de perdida de energía en forma de calor ya que la trasmisión se realiza de fuentes cercanas y no tiene que cursar largas distancias.
• La micro-red puede actuar para amenorar los costos de la electricidad a sus usuarios mediante la generación de parte o la totalidad de sus necesidades eléctricas.
Desventajas.:
• La energía eléctrica debe ser almacenada en bancos de baterías las mismas que requieren más espacio y mantenimiento.
• La dificultad de resincronización del sistema luego del mantenimiento con la red de suministro eléctrico.
• La protección de Micro-redes es uno de los retos más exhaustivos e importantes que se enfrente, ya que al ser un sistema de control a distancia estará propenso a sufrir ataques cibernéticos.
• La norma de interconexión debe ser desarrollado para cumplir con la consistencia. IEEE P1547[11], una norma propuesta por el Instituto de Electricidad y Electrónica Engineersmay para la eficiencia del Sistema.
III. Energía solar
En la actualidad, la electricidad es una de las formas de energía más usada, debido a que todos los aparatos eléctricos y electrónicos ya sea que utilicen corriente directa (CD) o corriente alterna (AC) como fuente principal para funcionar, lo cual ha ocasionado un incremento considerable en el consumo eléctrico. De aquí la necesidad de buscar otras fuentes y nuevos sistemas de producción que basen su funcionamiento con energía proveniente de fuentes renovables (Eólica, Solar, Biomasa).[14] Una de las formas innovadoras de producir energía eléctrica a un bajo costo y amigable con el medio ambiente, es la utilización de la energía solar que basa su funcionamiento en la utilización de paneles fotovoltaicos, para una aplicación ya sea de forma autónoma o conectada a la red [6]
Figure 3. Modelo de conexión Autónomo[14]
Figure 4. Conexión fotovoltaica interconectada con la Red [14]
Las diferencias que se pueden destacar entre las instala- ciones citadas anteriormente se basa en que la instalación autónoma utiliza acumuladores para el almacenamiento de energía y reguladores para las cargas generadas; en la insta- lación conectada directamente a la red la energía no se puede almacenar y esta disponible para consumo del usuario. [2] Panel fotovoltaico.: Los colectores fotovoltaicos o llamados también módulos fotovoltaicos son un conjunto de celdas denominadas (células fotovoltaicas) generadoras de energía eléctrica a partir de la luz solar que incide sobre su zona. [7] Dependiendo de los requerimientos del usuario, como puede ser la potencia de carga requerida, podemos clasificar las células fotovoltaicas por su constitución de silicio en tipo Cristalino y Thin Film [16] que está formado por un ma- terial de silicio amorfo, este tipo se usa básicamente en las calculadoras, pero presentan un rendimiento menor a la del tipo cristalino con la diferencia que con este tipo de células fotovoltaicas se pueden fabricar paneles flexibles.[7] La generación de tensión en una célula fotovoltaica cristalina, es aproximadamente 0.5 voltios por pulgada cuadrada en la célula y una corriente de 250 miliamperios. Es importante indicar que las conexiones de estas células se realizan en serie, para de esta forma llegar a tener el voltaje re- querido, pero al realizar este tipo de conexión no garantizamos el aumento en la capacidad para generar corriente. [2]
IV. Aplicación
Según el último censo realizado en Ecuador en el Año 2010, existe una cantidad de 3.493.549 de familias con servicio eléctrico y un numero de 255.370 familias [13]que no disponen del mismo ya sea por la no existencia de una red de suministro cercana, difícil acceso a la misma o por bajos recursos económicos.
El advenimiento de la nueva era tecnológica, al no disponer del servicio de energía eléctrica en un hogar representa una limitación al desarrollo de los pueblos y de un país en general; enfocándonos en esta problemática hemos considerado como una solución aprovechar la luz solar como fuente primaria para la generación de energía eléctrica atreves de paneles fotovoltaicos priorizando zonas aisladas que no disponen de servicio eléctrico.[15], [4] Estándares de sistemas auto sostenibles.
La solución fiable a muchos de los problemas de crisis energética que se aproximan, es el crear un sistema de auto sustentabilidad y distribución eléctrica modernizado.[3] Resumiendo, la utilidad de una moderna red de potencia solo será posible si en realidad se utiliza tecnología de comunicación adecuada, ya que esta nos permitirá el control del flujo de energía, el control de fallas y la fiabilidad que brindará en si todo el sistema.[19], [20] Los aspectos en los que están estipulados estos sistemas son: lo económico, social y ambiental mediante el cumplimiento de las siguientes consideraciones.
Funcionalidad del Proyecto.: Los sistemas auto sostenibles en espacios públicos deben ser duraderos que funcionen y sean accesibles brindando también un confort acústico y lumínico además que sean saludables para sus usuarios.[20]
Eficiencia de Recursos.:
• ENERGÍA.El consumo y la utilización de energía nece- saria, tomando en cuenta que esta será fundamentalmente generada por fuentes de energía renovables ej . solar, eólica.
• MATERIALES.Tendrá que ser diseñado y construido con materiales que a un futuro puedan ser reutilizados, recu- perados o reciclados.
• IMPACTO AMBIENTAL. La red inteligente reducirá la necesidad de plantas de energía para picos y permitirá una expansión de la energía renovable .[5] La propuesta que realizamos tiene como punto de partida un sistema de reabastecimiento interconectado a viviendas y espacios públicos, que adquieren energía eléctrica atreves de generadores convencionales que utilizan como fuente pri- maria combustibles derivados del petróleo, ayudándonos de generación fotovoltaica, cubriría gran parte de la demanda de potencia consumida por los usuarios, necesitando cada vez menos la utilización de los generadores convencionales ya que representan gastos económicos pero con la capacidad de reconexión en caso de que la energía generada por el sistema de paneles no brinde la potencia requerida para la dotación del total de la demanda.
A continuación en la Figura5 se presenta el diseño del sistema de reabastecimiento.
Figure 5. Estructura del Sistema de Interconexión de la Micro-Red
La fase de generación del sistema está compuesta por:
Paneles Fotovoltaicos.: Son un conjunto de células que generan energía eléctrica por acción de la luz solar que incide sobre su zona; en el mercado existen varios tipos de paneles solares que están a disposición dependiendo del coste y necesidades del usuario.
Para la generación hemos elegido un panel fotovoltaico de tipo Cristalino ya que el rendimiento de este material es del 30% a diferencia del policristalino y amorfo que tienen un rendimiento del 15% y 6% respectivamente, la forma del panel es de tipo teja o baldosa ya que la concentración de la luz seria direccionada sobre la superficie de las células debido a su construcción en forma de cajón.[4], [8]
Figure 6. Panel Tipo Baldosa
El voltaje nominal generado por una célula fotovoltaica es de 0.5 voltios y una corriente de 0.25 amperios; en un panel FV de 36 células de 5 pulgadas están conectadas en serie produciendo de esta manera un voltaje aproximado a 18 V con una potencia de 100W.
Con la demanda de potencia descrita en la Tabla 1 calcu- lamos:
DATOS
1 panel solar = 36 células fotovoltaicas por metro cuadrado.
8 horas luz; puede variar dependiendo de las condiciones climáticas.
100 W/h = Producción por panel, es decir que total de producción seria 0.6K w
Table II
GA S TO S D E IM P L E M E N TAC I Ó N -DE M A N DA
El valor neto por KW/h haciendo una relación con el costo de instalación nos resulta:
3281.37$/17520(K W/h) = 0.18$/K W/h El sistema estará brindando un costo por producción de 0.18ctv de dólar por KW/h en comparación con los 0.11ctv de dólar que un sistema convencional de suministro eléctrico brinda.
V. Conclusiones
• La generación atraves de fuentes renovalbles es una de las soluciones al problema ambiental, su gran inconveniente radica en sus altos costos, por ello las MR son un modelo importante a considerar ya que permiten controlar y vincular distintos tipos de generaciones utilizándolos de manera conjunta.
• Mediante la implementación del sistema propuesto, lo- graremos producir una energía limpia y un servicio eléc- trico de calidad, confiable a un bajo costo para usuarios de zonas aisladas en relación con una mayor conciencia sobre el uso eficiente de la energía
• El desarrollo de una Micro-Red en la perspectiva del cliente permitirá un aumento en la optimización además de un manejo inteligente de la generación de energía eléctrica, debido a la producción autónoma de la misma.
• En la parte económica, nuestro sistema alcanzará reduc- ción de costes debido a que la producción de energía esta liberada mecanismo que consumen combustible, ya que lo hacen mediante la utilización de energía solar(energía renovable).
VI. References
[1] Carlos Andrés Días Andrade. Las tics y la modernización de las redes de energía eléctrica. S&T, 2011.
[2] Sntiago Rodriguez Camilo Jaramillo. Sistemas solares foto- voltaicos interconectados a la red. VI Foro De Energias Alter- nativas Desarrollo Sostenible Con Energias Renovables, 2014.
[3] A. Bose C.Hauser D Bakken. A failure to comunicate:next gen- eration comunication requirements,technologies and architecture for the electric power grid. IEE Power and Energy Magazine, 3, 2005.
[4] Claudio Coello. Smart grid. Asociacion Española Para La Calidad, 2016.
[5] Página de Informacion Web. Criterios bioclimáticos. Casa Sostenible, 2013.
[6] Comunidad de Navegantes. Paneles solares. energÍa solar en veleros placas solares en barcos. Mar Viva, 2006.
[7] Patente (Escola Politécnica Superior d"Enginyeria de Manresa). Instalacion solar fotovoltaica conectada a red. Universitat Politéc- nica de Caralunya, 2012.
[8] Toma PATARAU Cristian ORIAN Dorin PETREUS, Radu ETZ. Microgrid concept based on distributed renewable generators for a greenhouse. ACTA TECHNICA NAPOCENSIS Electronics and Telecommunications, 56(2), 2015.
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[10] Ignacio S. Galan. Energia sostenible. IBERDROLA, 2010.
[11] Rudy Setiabudy Hartono BS, Budiyanto. Review of microgrid technology. IEE Xplore, 2013.
[12] Trilliant Holdings Inc. Why we need a smart grid. Trilliant, 2015. [13] INEC. FasÍculo nacional (censo 2010). Instituto Nacional de Estadísticas y Censos del Ecuador, 2010.
[14] MC:graw. Componentes de una instalación solar fotovoltaica.
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[19] Paula Serrano Yuste. Sostenibilidad: estándares, calificación y certificación energética de edificios, y software. Certificados Energéticos, 2013.
[20] N. Poveda D. | C. Medina | M. Zambrano. Tecnologías de comunicación para redes de potencia inteligentes de media y alta tensión. Facultad de Ingeniería Eléctrica, Universidad Tecnológica de Panamá, 5, 2014.
Autor:
Klever Iván Maldonado García.
Sergio Patricio Calle Garcia.