Sistema híbrido eólico-fotovoltaico
Por
Antonio Sarmiento Sera*
Alternativas para la generación
de energía eléctrica
a partir de la instalación
de sistemas que integren
los paneles solares fotovoltaicos
y los aerogeneradores
Actualmente resulta evidente, sobre todo para los lectores de esta revista, la capacidad energética de la radiación solar. En Cuba, por ejemplo, se reciben cinco mil watt-hora (5 000 Wh) de energía solar en cada metro cuadrado de superficie horizontal, por día, como promedio aproximado.
Un conocido sistema de captación de energía solar es el fotovoltaico, basado en la tecnología de los paneles fotovoltaicos, que pueden aprovechar cerca de 10 % de la energía incidente para convertirla en energía eléctrica. Es decir, con paneles fotovoltaicos se pueden generar 500 Wh/m2 día de energía eléctrica como promedio en Cuba.
En una escuela primaria en área rural, donde se utiliza un receptor de televisión, una reproductora de vídeo y dos lámparas (sin considerar la computadora), se puede requerir de un consumo aproximado de 800 Wh/día; por tanto, puede deducirse que con paneles fotovoltaicos que abarquen una superficie aproximada de 1,6 m2, es posible generar la energía diaria promedio que requiere la escuela. Además, con una mayor cantidad de superficie (m2) captadora pudiera producirse más energía eléctrica.
De forma similar, la energía del viento o energía eólica es otro tipo de energía renovable, también de origen solar, y posee similares potencialidades. El viento puede entregar su energía para ser convertida en energía eléctrica mediante sistemas conocidos como aerogeneradores.
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Si se toma como ejemplo un viento sostenido con velocidad de 6 m/s (22 km/hora), como promedio durante seis horas diarias se puede generar una energía eléctrica de 250 Wh/m2día.
Es importante señalar que aquí la superficie (medida en m2) se refiere a la superficie del círculo que presenta frontalmente el rotor del aerogenerador al viento.
Considerando un aerogenerador con aspas de 1,06 m de radio, las que abarcan un círculo con diámetro de 2,12 m y un área de 3,53 m2, con el viento antes señalado se producen también 800 Wh/día.
Similarmente a como se señaló en el ejemplo fotovoltaico, una mayor superficie (m2) captadora pudiera producir más energía eléctrica. Aquí debe añadirse que en el caso de la energía eólica, una mayor velocidad o un período más prolongado del viento también pudiera producir más energía.
Al comparar los índices de 500 y 250 Wh/m2día (expuestos anteriormente), para las energías fotovoltaica y eólica, respectivamente, debe señalarse que el índice eólico puede llegar a 1 000 Wh/m2día en aerogeneradores pequeños, cuando se asume un viento de
10 m/s con una duración de 6 h/día, lo cual puede encontrarse en varias regiones de Cuba a determinadas alturas del aerogenerador con respecto a la tierra.
Baterías
Tanto la energía solar fotovoltaica como la eólica tienen la característica de su intermitencia en la generación. La energía solar se presenta alternativamente en el ciclo día-noche; además, durante el día puede tener fluctuaciones debido a la nubosidad. También debe considerarse que la energía solar es más abundante en verano que en invierno.
La energía eólica tiene fluctuaciones durante el día o la noche y promedios de velocidades diferentes para cada mes del año.
En las regiones alejadas de la red de distribución eléctrica, para aplicaciones como escuelas rurales, consultorios del médico de la familia, alumbrado público, repetidoras de televisión y radio, salas de vídeo y otras similares, puede suceder que en el momento en que se requiere la energía tal vez no exista generación de la fuente de energía primaria (solar o eólica), por lo que los sistemas autónomos (o energéticamente automantenidos) requieren de un subsistema de acumulación de energía (baterías, por lo regular). Estas baterías reciben la energía de la fuente primaria, la almacenan y después la entregan en el momento en que se requiera. El costo de las baterías representa una parte considerable del costo total de la instalación.
Dado que pueden existir varios días seguidos sin generación por falta de la energía primaria (días nublados o sin viento), en las baterías debe existir una reserva de energía para varios días. Por esta razón, la capacidad energética de las baterías se puede medir según el número de días de autonomía, el cual representa el número de días que el sistema puede continuar trabajando sin necesidad de recibir energía de la fuente primaria.
Sistemas híbridos
En varios números de la revista Energía y tú se han abordado estas dos formas de energía renovables: la fotovoltaica y la eólica.
El aspecto central que ahora ponemos a consideración es el de un sistema que utilice ambas formas de energía simultáneamente, es decir, el sistema híbrido eólico-fotovoltaico.
Un requisito del sistema híbrido, para que su utilización sea preferible al sistema fotovoltaico puro, o al eólico puro, es que en el sitio de instalación exista suficiente potencial energético para ambas fuentes primarias de energía.
Una potencial ventaja del sistema híbrido sobre los sistemas puros, es que puede compensar las variaciones estacionales de los sistemas puros. Mientras el fotovoltaico puede producir más energía en el verano, el eólico pudiera producir más energía en el invierno, por lo que aumentan considerablemente las posibilidades para lograr entre ambos, en el sistema híbrido, una suma de energía casi constante durante todo el año.
Un sistema puro tendría una estación deficiente en el año, mientras que el híbrido tiende
a compensar el déficit de un sistema puro, con el superávit del otro.
En la figura 1 se muestra un ejemplo que ilustra una posible producción de un sistema híbrido, comparada en verano e invierno.

Fig. 1. Distribución estacional de la generación de energía por tipo de fuente.
Comparación
Una característica interesante del sistema híbrido es que ofrece múltiples soluciones para una demanda o solicitud de energía dada.
En la figura 2 se presentan diferentes soluciones a una demanda dada de energía total, de 800 Wh/día.

Fig. 2. Distribución de componentes eólicos y fotovoltaicos en diferentes
soluciones del sistema híbrido para satisfacer una demanda de 800 Wh/día
con condiciones meteorológicas dadas.
En la primera fila se representa la solución eólica pura, y en la última fila, la solución fotovoltaica pura. En las filas intermedias se representan cuatro de las múltiples soluciones híbridas, con aportaciones eólicas de 75, 50, 38 y 12 % del total de la energía.
En esta figura los aerogeneradores se representan esquemáticamente mediante un dibujo de sus aspas, con dimensiones proporcionales a su potencia o área, mientras que el número de paneles aparece por el número de pequeños cuadriláteros que los simbolizan. Puede observarse que existen múltiples soluciones o combinaciones eólico-fotovoltaicas que ofrecen la misma respuesta de 800 Wh/día, pues en la medida en que el aerogenerador posea mayor potencia, se requieren menos paneles fotovoltaicos, y viceversa.
Un análisis importante resulta el relativo a la cantidad de baterías que debe llevar cada solución.
La cantidad de baterías, o su capacidad energética medida en días de autonomía, está directamente relacionada con la posibilidad de que exista un número consecutivo de días sin fuente primaria de energía.
En la figura 2 se han considerado cuatro días de autonomía para los sistemas puros.
Con esto, el sistema adquiere un grado de confiabilidad tal que soporta la posibilidad de que sucedan hasta cuatro días seguidos sin fuente primaria; sin embargo, no satisfacería la demanda si se sucediesen cinco o más días sin fuente primaria.
Tratándose de los sistemas híbridos, es menos probable que sucedan cuatro días seguidos sin sol y sin viento simultáneamente, o sea, cuatro días seguidos sin cualquiera de las fuentes primarias de los dos sistemas puros, por lo que los sistemas híbridos pueden lograr mayor confiabilidad que los sistemas puros, aún con la misma cantidad de baterías. O en otras palabras, los sistemas híbridos pueden lograr similar grado de confiabilidad que los sistemas puros, con un número menor de baterías; de ahí la ventaja económica de los sistemas híbridos.
En la figura 2 se ha representado con símbolos el número de baterías que se debe usar en cada solución. Para los sistemas puros se han representado cuatro baterías, que significan cuatro días de autonomía. Para las soluciones híbridas, con menos baterías se logra la misma confiabilidad de los sistemas puros, como ha sido expuesto anteriormente.
En la figura 2 se señalan, además, otras características de las soluciones hibridas mostradas, como el diámetro y modelos de los aerogeneradores, la energía de cada componente, etcétera.
Una desventaja económica del sistema híbrido con respecto al eólico puro, es que el híbrido tiene una componente de tecnología fotovoltaica, y ésta resulta más costosa que la eólica en regiones donde ambos recursos son abundantes.
Un diseño específico permitiría determinar, para una región dada, bajo cuáles condiciones las ventajas económicas del sistema híbrido son superiores a las de los sistemas puros,
y precisar, además, cuál de las múltiples soluciones híbridas es la más económica o conveniente de todas.
En la figura 2 se ha representado también el balance de un día promedio. Debe considerarse que dadas las diferencias mensuales entre las dos fuentes, un diseño adecuado requiere al menos de un análisis mensual. También debe señalarse que para la comparación se han considerado paneles de 20 W, aunque es posible, por ejemplo, en lugar de usar dos paneles de 20 W, usar uno de 40 W.
Sistema experimental
En la figura 3 se muestra una foto del sistema híbrido eólico-fotovoltaico instalado en el Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER).
Este sistema experimental consta de ocho paneles fotovoltaicos de 37 W cada uno; un regulador de carga para 24 V; dos baterías con 12 V, 200 Ah, cada una; un inversor para entregar 110 V (CA), 60 Hz, 900 W, y un aerogenerador de potencia nominal de 50 W, similar al FURLMATIC 910 señalado en la figura 2.
Este sistema experimental sirve de base para el trabajo docente y de entrenamiento a estudiantes e ingenieros, así como para las investigaciones sobre los sistemas híbridos.Debe tenerse en cuenta que los sistemas eólico-fotovoltaicos requieren de personal de mayor preparación para su diseño y explotación, en relación con los sistemas por separado, así como la presencia de los dos recursos energéticos naturales en suficiente cuantía para que resulte eficiente su uso.
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Fig.3. Sistema híbrido eólico-fotovoltaico instalado en el CETER. |
Como se expuso anteriormente, las experiencias cubanas y de otros países indican que los sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos presentan potencialmente una mayor confiabilidad en comparación con los sistemas eólicos o fotovoltaicos por separado, al contar con dos fuentes independientes de energía primaria y estar menos expuestos a las variaciones climáticas. Esta característica puede traducirse como ventaja económica, mediante un apropiado diseño y explotación de los sistemas.
* Doctor en Ciencias Técnicas. Profesor Titular del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER). Miembro de CUBASOLAR.
tel.: (537) 2663637.
e-mail:sarmiento@ceter.cujar.edu.cu
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