un modelo para la ubicación de microaerogeneradores a escala comunal
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L. Ferrer UPCXV Simposio Peruano de Energia Solar (perusolar.org)Ver el resto de diapositivas en : http://solucionessolares.blogspot.com/TRANSCRIPT
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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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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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
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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