Ferrer Martí, Laia

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Metodología para la ubicación de aerogeneradores y diseño de microrredes en proyectos eólicosDra. Laia Ferrer MartíUniversidad Politécnica de CataluñaGrupo de Investigación en Cooperación y Desarrollo Humano (GRECDH)Grupo de Investigación en Ingeniería en Organización y Logística Industrial (EOLI)Con el apoyo de:XIII ELPAH, Taller: Evaluación de recursos, Diseño, Instalación y gestión de sistemas eólicos de pequeña escala, 20-22 Julio 2009, Cajamarca, Perú.Índice21. Introducción2. Objetivos3. Consideraciones de diseño4. Modelo matemático de diseño5. Resultados: El Alumbre6. Resultados: Alto Perú7. Resultados: Alto Perú (zona carretera)8. Conclusiones Los sistemas de electrificación que utilizan energías renovables son una solución adecuada para proveer de electricidad a comunidades de forma autónoma.   Utilizan recursos locales Coste menor que extender el interconectado Los sistemas microeólicos son una de las opciones técnicas posibles Recientemente se han implementado sistemas microeólicos a Cajamarca, en la sierra norte de Perú. Introducción4Introducción 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 demandaTipos de microaerogeneradoresTipos de puntos de consumo5Introducción La definición de un proyecto que combine el suministro de electricidad en una o varias microrredes y de puntos asilados degeneración, 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 consumoTipos de puntos de consumoTipos de microaerogeneradores6 Desarrollar un modelo de optimización para diseñar proyectos de electrificación rural con energía eólica  Decida: qué aerogeneradores utilizar, dónde instalarlos qué microrredes de distribución utilizar Considere: la situación y la demanda de los puntos de consumo  el recurso eólico en cada punto Criterio: Mínimo costeObjetivos Esquema de elementos: Aerogeneradores, la energía generada depende del tipo y de la localización Reguladores, convierten AC/DC y controlan la carga/descarga de la batería  Baterías, su capacidad tiene en cuenta la demanda y la autonomía, se sitúan en el mismo punto de generación. Inversores, convierten DC/AC al voltaje nominal de distribución.  Conductores, configuran la microrred que distribuye la electricidad  Medidores, miden la energía consumida en los puntos de las microrredes7Aerogeneradores- Conductores- Medidores- Puntos de consumoBateríasReguladores InversoresConsideraciones de diseño8 Esquema de la microrred La distribución de electricidad des de las baterías a los puntos de consumo se realiza en AC monofásica, al voltaje de consumo.  La microrred está compuesta de diferentes tramos  Imponemos que cada tramo acaba en un punto de consumo Los tramos se estructuran en un esquema radial: Un punto puede tener varios conductores de salida, pero solo uno de entrada No puede haber un conductor de entrada en un punto con generadorPuntos de consumoPuntos de generaciónConsideraciones de diseño9Modelo matemático de diseño Modelo de programación lineal entera y mixta (PLEM) Método para formular matemáticamente un problema de optimización combinatoria que permite su resolución óptima con software especializado Evalúa y optimiza una función objetivo explorando todas las combinaciones de soluciones posibles 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 factibleModelo de programación linealEntradasVariablesAerogeneradores:Localización y puntos de consumo a los que suministra energíaMicrorred: diseño, conductores utilizadosParámetrosTipos de aerogeneradores:Coste adquisición, características técnicasMicrorred: conductores, postes, costes y característicasRecurso eólico disponible:Energía generada por cada aerogenerador en cada puntoBaterías, inversores, reguladores, característicasFunción objetivoCoste inicialEnergía generadaRestriccionesSalidasPuntos de consumo: Distancias, localización, DemandaEspecificaciones técnicas:Caídas tensión, inversores, reguladores, bateríasResultadosEnergía generada CosteSatisfacción de la demandaCoste reposiciónModelo matemático de diseño11Modelización matemática Datos de entrada (parámetros):  Comunidad Puntos de consumo, puntos de posible ubicación de aerogeneradores y distancias entre ellos  Demanda: energía y potencia Equipos  Aerogeneradores: tipos, coste, potencia máxima  Reguladores: tipos, coste, potencia máxima Baterías: tipos, coste, capacidad, descarga máxima, autonomía Inversores: tipos, coste, potencia máxima Medidores: coste Red Conductores: tipos, precio, resistividad Voltaje y caída de tensión admisible( , )d dED PD( , , )a aA CA PA( , , )r rR CR PR( , , , , )b bB CB EB DB VB)pd(D,P,L( , , )i iI CI PI( )CM( , , )c cC CC RC)n min max(V ,V ,VModelización matemática Datos de entrada (parámetros): Recurso eólico: Energía generada por cada tipo de aerogenerador en cada punto de posible ubicación, calculado a partir del mapa de recurso Modelo de evaluación de viento a microescala: Extrapola las medidas de un anemómetro en un punto en un área, a partir de el mapa topográfico.01234567Septiembre 2007Octubre 2007Diciembre 2007Enero 2008Febrero 2008Marzo 2008Abril 2008Mayo 2008Agosto 2008Septiembre 2008Octubre 2008Noviembre 2008Diciembre 2008Enero 2009Febrero 2009Marzo 2009Abril 2009Velocidad media mensual [m/s]12Anemómetro Velocidad media (m/s)( )paEA13Modelización matemática Datos de entrada (parámetros): Recurso eólico: Energía generada por cada tipo de aerogenerador en cada punto de posible ubicación, calculado a partir del mapa de recurso Modelo de evaluación de viento a microescala: Extrapola las medidas de un anemómetro en un punto en un área, a partir de el mapa topográfico.13Mapa de elevación Mapa de recursoDatos de viento( )paEA Puntos de colocación de los aerogeneradores No se limita a los puntos de consumo. Se añaden puntos de generación mediante la creación de una malla. Opciones, creación de una malla: 500x500m, se cogen los 4 puntos que alrededor de a un punto de consumo. 250x250m, se cogen los puntos que alrededor de a un punto de consumo de si tienen con mayor recurso eólico.14Modelización matemática15Modelización matemática Variables:  Equipos  Variable binaria, indica si se coloca en un punto p el equipo número n, de un cierto tipo (aerog., baterías, inversores, reguladores). Medidores Variable binaria, indica si se coloca un medidor en un punto p. Conductores Variable binaria, indica los puntos p y q están conectados con un conductor de tipo c Red Variable real, indica el flujo de energía/potencia entre 2 puntos. ( , , , )pan pbn pin prnxa xb xi xr( )pxm( )pdcxc( , )pd pdfe fp16Modelización matemática Restricciones:  Demanda Demanda: energía y potencia Equipos  Equilibrio de potencia máxima entre aerogeneradores-reguladores Capacidad de las baterías, considerando la demanda, la autonomía requerida y la descarga máxima.  Medidores: se sitúan en los puntos alimentados con una microrred Nº máximo de equipos por punto  Red Perdidas en la red, se aplican como un factor que aumenta la demanda de energía, para aquellos puntos de una microrred. Máxima caída de tensión admisible, depende del flujo de potencia, de la distancia y de la resistividad del conductor Equilibrio de flujos de energía y potencia17aerogeneradoresconductoresbateríasinversoresreguladores Función ObjetivomedidoresModelo matemático de diseño[ ]1 111 11 11 1pA NAa panp P a nCpd c pdcp P d Q cB NBb pbnp P b nI NIi pinp P i nR NRr prnp P r ndd DMIN Z CA xaL CC xcCB xbCI xiCR xrCM xm∈ = =∈ ∈ =∈ = =∈ = =∈ = =∈= +++++∑∑∑∑ ∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑18 Restricciones- Demanda- Baterías- Caída tensión- Inversores- Reguladores1 1|pA N Apa pan pda n d QE A xa fe p P p D= = ∈≥ ∈ ∉∑ ∑ ∑1 1|pI N Ii p in pdi n d QP I xi F S fp p P p D= = ∈≥ ∈ ∉∑ ∑ ∑( )1 11 |pB NBb pbn j p pdb n j D d QVB VBEB xb ED x fe p P p DDB DB= = ∈ ∈ + − ≥ ∈ ∉  ∑∑ ∑ ∑( ) (1 ) ; ; 1,...,pd c pdp d max min pdc pnL RC fpv v V -V xc p P d Q c CV− ≥ − − ∈ ∈ =1 1 1 1R N R A N Ar prn a panr n a nP R x P A xa p P= = = =≥ ∈∑ ∑ ∑ ∑Modelo matemático de diseñoResultados: El Alumbre El Alumbre, Hualgayoc, Cajamarca (Perú).  El primer proyecto demostrativo de electrificación de una comunidad con un sistema microeólico en Perú. Situado a 3800 msnm, escasa cobertura vegetal. Viven permanentemente 33 familias (155 pobladores). Población muy dispersa.  Proyecto: instalación de aerogeneradores individuales: 33 aero. de 100W (IT-PE-100), en los domicilios.  2 aero. de 500W (SP-500), en la escuela y en el centro de salud.20 Mapa de viento Parte alta: Mucho recurso eólico. Centro: Buen recurso eólico. Parte Baja: Poco recurso Resultados: El AlumbreMapa de elevación Mapa de recurso21 Experiencia computacional Incorporación de equipos de más potencia. Aerogeneradores Baterías, Bat.1  120 Ah, Bat.2 150 Ah, Bat.3  200 Ah y Bat.4 250 Ah Inversores, Inv.1   300W, Inv.2  1200W, Inv.3  2000W y  Inv.4   3000W Reguladores, Reg.1  35A, Reg.2   60A, Reg.3  75A  y  Reg.4  150APotencia (W) Modelo Precio ($)100 IT-100 974500 SP-500 27371000 - 41052000 - 5131Resultados: El Alumbre4 tipos de aerogeneradores (100W - 2000W)EquiposPuntos de consumo + grillaAlta (DA=22800 Wh/mes)Puntos de ubicación Puntos de consumoBaja (DB=11400 Wh/mes)Demanda33 domicilios, 1 escuela, 1 posta médicaPuntos de consumo22Resultados: El Alumbre Demanda Baja Combinación de aerog. individuales y de una microrred con un aerog. de 2000W. El punto 34 siempre pertenece a una microrred (punto de generación baja). Hay puntos donde se colocan dos IT-100 debido a que uno solo no cubre la demanda.100 W500 W1000 W2000 W23Resultados: El Alumbre100 W500 W1000 W2000 W Demanda Alta Aumento de microrredes Utilización de equipos de más potencia Tabla comparativa Todas las soluciones del modelo utilizan microrredes y tienen uncoste menor a las soluciones con aerogerenadores individuales. (16% DB, 23% DA)  El uso de microrredes permite considerar escenarios de demanda alta con un incremento de coste inferior (58% vs. 72%) Demanda Baja Demanda Alta  Indiv. Sin Malla Con Malla Indiv. Sin Malla Con Malla Solución ($) 76651 64327 65726 131893 102678 102082 Cota ($) - 59356 55434 - 84637 77286 Aerogeneradores: 100W, 500W,  1000W, 2000W  39, 3, 0, 0  28, 0, 0, 1  28, 0, 0, 1  53, 6, 3, 0  10, 3, 2, 2  6, 3 2, 2 Energía (Wh/día) 26967 26521 26856 54915 52512 54171 24Resultados: El AlumbreResultados: Alto Perú Alto Perú, San Pablo, Cajamarca (Perú).  Situado a 3800 msnm, escasa cobertura vegetal.  Consta de 94 puntos de consumo, población muy dispersa. Parte Alta: compuesta por 34 puntos de consumo Parte Baja: compuesta por 57 puntos de consumo Proyecto: instalación de 2 microrredes en la parte alta2526 Mapa de viento Parte alta: Mucho recurso Centro: Buen recurso eólico Parte Baja: Poco recursoResultados: Alto PerúMapa de elevación Mapa de recursoParte Alta27 Experiencia computacional Incorporación de equipos de más potencia. Aerogeneradores Baterías, Bat.1  120 Ah, Bat.2 150 Ah, Bat.3  200 Ah y Bat.4 250 Ah Inversores, Inv.1   300W, Inv.2  1200W, Inv.3  2000W y  Inv.4   3000W Reguladores, Reg.1  35A, Reg.2   60A, Reg.3  75A  y  Reg.4  150APotencia (W) Modelo Precio ($)100 IT-100 974500 SP-500 27371000 - 41052000 - 5131Resultados: Alto PerúParte alta, 26 domiciliosPuntos de consumo4 tipos :100W - 2000W2 tipos: 100W y 500WEquiposAlta (DA=22800 Wh/mes)Puntos de ubicación Puntos de consumoBaja (DB=11400 Wh/mes)Demanda28 Mapa de viento Parte Alta: poco viento, se necesita más de un aerog. para cubrir la demanda. Parte Media: creación de microrredes aprovechando los puntos de mayor potencial. Parte Baja: una pequeña microrredResultados: Alto Perú100 W500 W1000 W2000 W29Demanda baja Demanda altaResultados: Alto Perú100 W500 W1000 W2000 W 2 tipos de aerog. Aumenta la cantidad de aerogeneradores debido al incremento de demanda Podría realizarse un estudio de cada zona de forma independiente.30Demanda baja Demanda alta 4 tipos de aerog. Tendencia a la colocación de aerogeneradores de mayor potencia y formación de microrredes más grandes. Podría realizarse un estudio de cada zona de forma independiente.100 W500 W1000 W2000 WResultados: Alto Perú Tabla comparativa Respecto los aerog. individuales, las soluciones del modelo: con 2 aerog. reduce los costes en un 28% con 4 aerog. reducen los costes en un 42%. Usando 4 tipos de aerog., los costes se reducen en un  20% en el caso de DB y en un 30%  en el caso de DA, respecto a la utilización de 2. Un aumento del 100% de la demanda aumenta un 50,4% del coste. Demanda Baja Demanda Alta  Invid. 2 aerog 4 aerog 2 aerog 4 aerog Solución ($) 71078 51485 41207 88923 62005 Nº microrredes 0 4 3 5 4 Aerogeneradores: 100W, 500W, 1000W, 2000W 32, 3 8,6 6, 2, 0, 1 5, 15 0, 0, 1, 4 Energía (Wh/día) - 15866 16066 32348 39619 31Resultados: Alto Perú Experimentación32Resultados: Alto Perú (zona carretera)Casas situadas en al zona central (16 viviendas). Primeras viviendas que se electrificaránPuntos de consumo4 tipos :100W - 2000W2 tipos: 100W y 500WEquiposAlta (DA=22800 Wh/mes)Puntos de ubicación Puntos de consumoBaja (DB=11400 Wh/mes)Demanda Limitación del número de aerogeneradores en un punto. 2 de 500W 1 de 500W y 2 de 100W Experimentación Creación en los dos casos de dos microrredes. Al aumentar la demanda de los consumidores aumenta la tendencia a colocar aerogeneradores grandes. La limitación del voltaje limita la colocación de aerogeneradores en un punto.33Demanda baja - 2 tipos aerog.-restricción de nº max aerog.Demanda alta - 4 tipos aerog.- sin restricción de nº max aerog.100 W500 W1000 W2000 WResultados: Alto Perú (zona carretera) Tabla comparativa Los costes, respecto al caso base, se reducen un 16% en el caso con restricción de voltaje y un 21% en el caso sin dicha restricción (2 aerog.).  Al doblar la demanda supone un incremento de coste de un 82% en el caso de 2 aerogenerador pero solo un 22% en el caso de 4 aerogeneradores Demanda Baja Demanda Alta  Invid. 2 aerog rest V 2 aerog  2 aerog rest V 4 aerog Solución ($) 27856 23399 22126 42620 26652 Nº microrredes 0 2 1 4 2 Aerogeneradores: 100W, 500W, 1000W, 2000W  16, 0  0, 4  2, 3  0, 8  0, 0, 0, 2 Energía (Wh/día) 9235 8663 8315 17101 17243 34Resultados: Alto Perú (zona carretera)35 En este trabajo se presenta un modelo de optimización del diseño de sistemas microeólicos de electrificación rural. El modelo proporciona la ubicación de los aerogeneradores y el diseño de las posibles microrredes y considerando los resultados de la evaluación de recurso eólico a micro-escala. El proceso de evaluación de recurso y los resultados del modelo han sido validados mediante su aplicación a las comunidades de El Alumbre y Alto Perú.  Las soluciones obtenidas proponen utilizar micro-aerogeneradores de mayor potencia y pequeñas microrredes independientes, reducen los costes de inversión inicial y permiten cubrir escenarios de demanda más alta con un incremento de inversión menor. Conclusiones36 Función objetivo: Incorporar los costes de mantenimiento y reemplazo de equipos a lo largo de la vida útil de la instalación,  Ponderar el coste con la energía total generada.  Incorporar criterios técnico-sociales: nº microrredes, seguridad-fiabilidad de suministro Diseño del sistema: Considerar bancos de baterías no situados en el punto de generación.  Ampliar a sistemas híbridos que combinen la generación de energía eólica y solar.ExtensionesMuchas gracias por su atenciónMetodología para la ubicación de aerogeneradores y diseño de microrredes en proyectos eólicosDra. Laia Ferrer MartíUniversidad Politécnica de CataluñaGrupo de Investigación en Cooperación y Desarrollo Humano (GRECDH)Grupo de Investigación en Ingeniería en Organización y Logística Industrial (EOLI)Con el apoyo de:XIII ELPAH, Taller: Evaluación de recursos, Diseño, Instalación y gestión de sistemas eólicos de pequeña escala, 20-22 Julio 2009, Cajamarca, Perú.

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