Electrificación rural con sistema eólico aislado Por Conrado Moreno Figueredo* Esquema energético muy competitivo y eficaz en zonas rurales y periurbanas |  |
Para determinar la producción de energía eléctrica de una instalación eólica de pequeña potencia, con frecuencia se emplea el denominado «método de la curva de potencia», que se basa en la utilización de la curva característica del aerogenerador y una distribución de probabilidades de la velocidad del viento. Cada sitio tiene una distribución de probabilidades de la velocidad del viento diferente. Una de las más comunes es la conocida como la distribución de Rayleigh, que a los efectos de pequeñas máquinas eólicas suele emplearse para calcular la energía producida en un intervalo de tiempo. Para un cálculo más exacto se necesitaría conocer la distribución de probabilidades de la velocidad del viento en el sitio, tal como se hace cuando se trata de instalaciones de gran escala. Para los proyectos de parques eólicos se hace necesario estudiar más a fondo el recurso eólico y conocer con precisión la distribución de probabilidades; sin embargo, lo costoso de ese proceso no lo hace viable para las instalaciones de pequeña escala. Las instalaciones eólicas de producción de electricidad de pequeña potencia suelen emplearse en zonas alejadas de la red general de distribución eléctrica. El tamaño y tipo de instalación depende únicamente de las necesidades del usuario de la instalación. Las instalaciones más frecuentes son de muy pequeña potencia y emplean tecnologías muy fiables en las que es necesario un mantenimiento básico. Normalmente ese sistema eólico se emplea para suministro eléctrico de viviendas aisladas, embarcaciones, etc., y suele requerir velocidades muy bajas de viento (Fig. 1). Fig. 1. Sistema eólico aislado junto al Faro Roncali, en el extremo más occidental de la isla de Cuba. Las instalaciones eólicas de este tipo son competitivas con las instalaciones fotovoltaicas, la biomasa y las plantas movidas por motores de combustión interna (grupos electrógenos), aunque resultan más costosas que las plantas microhidroeléctricas, y el costo de producción del kWh depende de la magnitud del consumo diario de energía eléctrica. Actualmente, la economía de escala de los pequeños aerogeneradores los hace competitivos desde el punto de vista de los costos para potencias superiores a los 250 W. Para cargas diarias tan pequeñas, como un kilowatt-hora diario, la producción de electricidad con un aerogenerador es más económica que las plantas diésel, o la extensión de la red eléctrica, o las instalaciones fotovoltaicas, cuando las velocidades del viento son mayores de 4 m/s a la altura del eje del rotor. Estas velocidades del viento están presentes en muchos sitios. Para cargas mayores, las ventajas de las instalaciones eólicas con pequeños aerogeneradores son mayores. Una instalación eólica de pequeña potencia para cargar baterías consta de uno o varios aerogeneradores que alimentan un cuadro de carga, y de un conjunto de baterías dimensionadas según los días de calma y la demanda (Fig. 2). Fig. 2. Instalación eólica de pequeña potencia. Estos sistemas pueden ser atendidos directamente por sus usuarios, ya que precisan muy poco mantenimiento. Un sistema debe en general poseer las partes siguientes: 1. La turbina eólica o aerogenerador, que está compuesto por todos los elementos que se encuentran en la parte superior de la torre. 2. Rectificador de corriente alterna en corriente directa. Esto es necesario en caso de que el generador eléctrico suministre corriente alterna y el rectificador no esté incorporado en la turbina eólica. 3. El cuadro de control o sistema de control que constituye un punto de conexión central entre la turbina, las baterías y las cargas. 4. Un interruptor con un fusible eléctrico de seguridad que desconecta la turbina y el control de la carga de baterías. Este puede estar incorporado en el sistema de control. 5. El banco de baterías que debe proporcionar la energía suficiente para satisfacer la demanda en un cierto número de días de calma. 6. El inversor que convierte la corriente directa en alterna. 7. La torre soportante. En la figura 2 se muestra un ejemplo de un sistema de suministro eléctrico con pequeños aerogeneradores, para cargar baterías y alimentar una carga de corriente directa, por lo que no se necesita inversor. Tabla 1. Distribución de Rayleigh para diferentes velocidades medias anuales del viento Estimación de la producción de energía eléctrica anual Cuando se pretende realizar una instalación eólica aislada de la red, los datos más importantes se refieren al viento y al emplazamiento, teniendo este último una menor importancia debido a la conveniencia de situar la instalación lo más cerca posible del lugar de consumo. En la tabla 1 se exponen los datos del viento de un lugar escogido, considerando que obedecen a una distribución de probabilidad de Rayleigh. Los valores que aparecen en la tabla representan la probabilidad de ocurrencia o frecuencia de aparición de cada uno de los valores de velocidad del viento y las velocidades medias, que aparecen en la segunda fila en metros por segundo. Una representación gráfica de esta tabla se presenta en la figura 3. Fig. 3. Distribución de Rayleigh. Para estimar la producción anual de energía de los aerogeneradores, se emplea el método de la curva de potencia, que se basa en la curva de distribución de frecuencias y la curva de potencia del aerogenerador seleccionado, y es suministrada por el fabricante del aerogenerador en cuestión. Partiendo de estas dos bases de datos, se puede elaborar la tabla 2, para el caso de una distribución de Rayleigh en un sitio donde la velocidad media anual es de 4 m/s, y la curva de potencia característica del aerogenerador Inclin 1500, de la firma Bornay, de España (Fig. 4). Tabla 2. Energía anual entregada por un aerogenerador Inclin 1500 en un sitio donde la distribución de frecuencia obedece a una distribución de Rayleigh para una velocidad media de 4 m/s 1 Velocidad del viento en m/s. 2 Frecuencia o probabilidad de aparición de cada velocidad del viento. 3 Número de horas al año para cada velocidad del viento. Es el producto de multiplicar la frecuencia (columna 3) por las 8 760 horas que tiene el año. 4 Potencia que entrega el aerogenerador Inclin 1500 para cada velocidad de la columna 1, según la curva de potencia suministrada por el fabricante. 5 Energía que entrega cada velocidad del viento. Es el producto de los valores de las columnas 2 y 4. La estimación de la velocidad media anual es el primer problema que se debe resolver, ya que se supone que no se poseen mediciones del viento. Esta se realiza por métodos empíricos, como el de las evidencias ecológicas, mediante la escala Greeg-Putnam, o la escala Beaufort. Se recomienda consultar algún manual de energía eólica para obtener información al respecto, como el libro Diez preguntas y respuestas sobre energía eólica, publicado por la Editorial CUBASOLAR en el 2007 (disponible en www.cubasolar.cu). El aerogenerador Inclin 1500, a modo de ejemplo, tiene un alternador de imanes de neodimio, con una potencia nominal de 1 500 W, equipado con un rotor bipala y con sistema de frenado automático por inclinación (ver características técnicas en la figura 4 y las tablas 2 y 3). Tabla 3. Características técnicas de aerogeneradores Inclin, de la marca Bornay Para estimar la energía de salida del sistema, debe tenerse en cuenta la eficiencia del banco de baterías y del inversor. Considerando que la eficiencia de las baterías es de 70% y la del inversor de 90%, entonces la energía entregada a la salida de la instalación resulta: Esal = 1 988 192,5 · 0,9 · 0,7 = 1 252 561 Wh/año Por tanto, de forma estimada, la energía que entrega anualmente este aerogenerador en un sitio con velocidad media anual de 6 m/s, es de 1 252 kWh/año. Esto equivale a decir que ese aerogenerador, en un sitio donde la velocidad media anual es de 4 m/s, puede alimentar una casa que consuma mensualmente 100 kWh, lo que equivale a1 252 kWh/año), como promedio anual, sin quemar petróleo. * Doctor en Ciencias Técnicas. Profesor Titular del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER). Miembro de la Junta Directiva Nacional de CUBASOLAR y de la Academia de Ciencias de Cuba (ACC). e-mail: conrado@ceter.cujae.edu.cu