Sistema de Generación de Energía Híbrida Eólica-Solar y Soluciones
2025-01-07
Definición del sistema híbrido eólico-solar
El sistema híbrido eólico-solar es un sistema de generación de energía que utiliza paneles solares y aerogeneradores (que convierten corriente alterna en corriente continua) para almacenar la electricidad generada en un paquete de baterías. Cuando el usuario necesita electricidad, el inversor convierte la corriente continua almacenada en las baterías en corriente alterna y la envía a la carga del usuario a través de la línea de transmisión. Es un sistema en el que dos dispositivos generadores de energía, los aerogeneradores y los paneles solares, generan electricidad de manera conjunta.
Composición del sistema híbrido eólico-solar
El sistema híbrido eólico-solar está compuesto principalmente por aerogeneradores, paneles fotovoltaicos solares, controladores, baterías, inversores, cargas de corriente alterna y continua, entre otros. Véase el diagrama adjunto de la estructura del sistema. El sistema es una instalación de generación de energía renovable compuesta que integra múltiples tecnologías de generación de energía, como la energía eólica, solar y las baterías, así como tecnologías de control inteligente del sistema.
(1).Sistema de Generación de Energía Eólica
La parte de generación de energía eólica utiliza un aerogenerador para convertir la energía del viento en energía mecánica, la cual se convierte luego en energía eléctrica a través de un generador eólico. El controlador carga la batería y el inversor suministra energía a la carga.
(2).Sistema de Generación de Energía Fotovoltaica
La parte de generación de energía fotovoltaica utiliza el efecto fotovoltaico de los paneles solares para convertir la energía lumínica en energía eléctrica, que luego se utiliza para cargar la batería, y el inversor convierte la corriente continua en corriente alterna para alimentar la carga.
(3).Sistema de Inversor para Conversión de Energía AC
El sistema de inversores consta de varios inversores, los cuales convierten la energía de corriente continua almacenada en la batería en energía de corriente alterna estándar de 220V para garantizar el funcionamiento normal de los equipos de carga de corriente alterna. También cuenta con una función automática de estabilización de voltaje, lo que mejora la calidad del suministro eléctrico del sistema híbrido eólico-solar.
(4).Sistema de Gestión y Control de Energía
La parte de control cambia y ajusta continuamente el estado de trabajo del paquete de baterías según los cambios en la intensidad de la luz solar, la velocidad del viento y la carga: por un lado, la energía eléctrica ajustada se envía directamente a la carga de corriente continua o alterna. Por otro lado, el exceso de energía eléctrica se envía al paquete de baterías para su almacenamiento. Cuando la generación de energía no puede satisfacer los requisitos de la carga, el controlador envía la energía de la batería a la carga, asegurando la continuidad y estabilidad del funcionamiento de todo el sistema.
(5).Sistema de Baterías para Regulación y Almacenamiento de Energía
La parte de la batería está compuesta por múltiples baterías, que desempeñan dos roles en el sistema: regulación de energía y balanceo de carga. Convierte la energía eléctrica generada por el sistema de generación eólica y el sistema de generación fotovoltaica en energía química y la almacena para su uso cuando el suministro de energía es insuficiente.
El sistema híbrido eólico-solar puede operar en los siguientes tres modos según los cambios en la energía eólica y la radiación solar:
1.El aerogenerador suministra energía solo a la carga.
2.El sistema de generación fotovoltaica suministra energía solo a la carga.
3.El aerogenerador y el sistema de generación fotovoltaica suministran energía conjunta a la carga.
2.El sistema de generación fotovoltaica suministra energía solo a la carga.
3.El aerogenerador y el sistema de generación fotovoltaica suministran energía conjunta a la carga.
El sistema híbrido eólico-solar tiene las siguientes ventajas frente a la generación de energía eólica o fotovoltaica por separado:
●Estabilidad y fiabilidad
Al aprovechar la complementariedad de la energía eólica y solar, se puede obtener una salida relativamente estable, y el sistema tiene mayor estabilidad y fiabilidad.
●Reducción de la capacidad de la batería
Mientras se asegura el mismo suministro de energía, la capacidad de la batería de almacenamiento de energía puede reducirse considerablemente.
●Optimización del suministro de energía
A través de un diseño y ajuste razonables, el sistema híbrido eólico-solar puede suministrar energía de manera básica, y hay poca o ninguna necesidad de iniciar fuentes de energía de respaldo como grupos electrógenos diésel, lo que puede lograr mejores beneficios sociales y económicos.
Escenarios de aplicación del sistema híbrido eólico-solar
Aplicación en exteriores
El consumo de energía de los proyectos de iluminación exterior en el mundo representa aproximadamente el 12% de la generación mundial de energía. En el contexto de la creciente tensión energética y de la protección ambiental a nivel global, su labor de ahorro de energía ha atraído cada vez más la atención mundial.
La energía solar y la energía eólica se cargan de manera inteligente en la batería a través del controlador en una forma complementaria, y diversos tipos de lámparas LED exteriores se encienden y apagan automáticamente según la intensidad de la luz durante la noche. El controlador inteligente tiene una función de comunicación de red de sensores inalámbricos y puede realizar una gestión remota (telemetría, telecomunicación y control remoto) con la computadora de fondo. El controlador inteligente también tiene una potente función de inteligencia artificial, e implementa una gestión avanzada por computadora de tres remotos de todo el proyecto de iluminación, enfocándose en la inspección del estado de operación de los dispositivos de iluminación y en las alarmas de fallos y robos.
Iluminación vial
● Proyectos de iluminación vial (autopistas/carreteras principales/carreteras secundarias/carreteras de ramificación);
●Proyectos de iluminación de caminos en comunidades (farolas de calles de comunidad/lámparas de jardín/lámparas de césped/lámparas subterráneas/lámparas de pared, etc.).
Los proyectos de iluminación exterior con fuentes de energía nueva y luz nueva que se han desarrollado incluyen: farolas inteligentes LED con energía eólica y solar complementarias, proyectos de iluminación vial comunitaria LED con energía eólica y solar complementarias, proyectos de iluminación paisajística LED con energía eólica y solar complementarias, proyectos de iluminación de túneles inteligentes LED con energía eólica y solar complementarias, farolas LED inteligentes, etc.
Aplicación de marcas de navegación
Las marcas de navegación en algunas áreas han aplicado generación de energía solar, especialmente en pilones de faros, pero también existen algunos problemas. El más destacado es que la generación de energía solar es insuficiente bajo condiciones continuas de mal tiempo, lo que puede causar fácilmente una sobre-descarga de las baterías y la interrupción de la luz, afectando el rendimiento o incluso dañando la batería. El problema de la insuficiencia en la generación de energía solar es especialmente grave en invierno y primavera.
Las condiciones de mal tiempo suelen ir acompañadas de vientos fuertes. En otras palabras, las condiciones climáticas en las que la generación de energía solar no es ideal son a menudo cuando la energía eólica es más abundante. En este caso, se puede utilizar un sistema híbrido eólico-solar, con la generación de energía eólica como principal y la generación fotovoltaica como auxiliar, para reemplazar el sistema tradicional de generación solar.
El sistema híbrido eólico-solar tiene características como protección ambiental, libre de contaminación, sin mantenimiento, fácil de instalar y usar, y cumple con los requisitos de aplicación de energía para marcas de navegación. Cuando la configuración de energía solar cubre el suministro de energía en primavera y verano, el sistema híbrido eólico-solar no se activa; en invierno y primavera, o en condiciones continuas de mal tiempo, el sistema híbrido eólico-solar se activa. Se puede observar que la aplicación del sistema híbrido eólico-solar en marcas de navegación tiene características estacionales y climáticas. Los hechos han demostrado que su aplicación es factible y efectiva.
Suministro de energía de monitoreo
Las cámaras de carreteras de alta velocidad suelen funcionar las 24 horas del día y utilizan sistemas tradicionales de suministro de energía de la red eléctrica. Aunque la potencia no es grande, el consumo de electricidad es elevado debido al gran número de cámaras. El uso de sistemas de suministro de energía tradicionales no favorece el ahorro de energía. Además, los cables de suministro de energía de las cámaras suelen ser robados, lo que provoca grandes pérdidas y aumenta considerablemente el costo de uso y mantenimiento, además de incrementar los costos operativos de las unidades de gestión de carreteras.
La aplicación de sistemas híbridos eólicos-solares para suministrar energía a las cámaras de monitoreo vial no solo ahorra energía, sino que también elimina la necesidad de tendido de cables, reduciendo la posibilidad de robo y previniendo eficazmente el hurto. Sin embargo, algunas áreas pueden experimentar condiciones meteorológicas severas, como niebla continua, menos luz solar y viento insuficiente, lo que puede causar la falta de sostenibilidad en el suministro de energía. En este caso, las líneas eléctricas tradicionales pueden utilizarse para cargar automáticamente las baterías cuando la energía solar y eólica no es suficiente, asegurando que el sistema funcione de manera normal.
Aplicaciones de comunicación
Muchas islas y áreas montañosas están alejadas de la red eléctrica, pero debido a que las industrias locales como el turismo, la pesca, la navegación y otras tienen necesidades de comunicación, es necesario establecer estaciones base de comunicación. La carga eléctrica de estas estaciones base no será muy grande. Si se utiliza el suministro de energía de la ciudad, el costo de erigir postes y tender líneas es muy alto. Si se utiliza un generador diésel para el suministro de energía, surgen problemas como los altos costos de almacenamiento y transporte de diésel, el mantenimiento difícil del sistema y la baja fiabilidad.
Para resolver el problema de un suministro de energía estable y fiable a largo plazo, solo se puede depender de los recursos naturales locales. Como recursos renovables inagotables, la energía solar y la energía eólica son bastante abundantes en las islas. Además, la energía solar y la energía eólica tienen una fuerte complementariedad en cuanto a tiempo y región. El sistema híbrido eólico-solar para islas es un sistema de suministro de energía independiente con buena fiabilidad y economía, adecuado para alimentar estaciones base de comunicación. Dado que la estación base tiene personal de mantenimiento, el sistema puede estar equipado con generadores diésel para su uso cuando la generación de energía solar y eólica sea insuficiente. Esto puede reducir la capacidad de los arreglos de paneles solares y aerogeneradores en el sistema, reduciendo así los costos del sistema y aumentando la fiabilidad del mismo.
Aplicación en estaciones de energía
La estación de energía de almacenamiento por bombeo híbrido eólico-solar utiliza energía eólica y solar para generar electricidad, acciona directamente las bombas para bombear agua y almacenar energía de manera irregular sin utilizar baterías, y luego utiliza la energía almacenada en el agua para lograr una generación y suministro de energía estables. Este método de desarrollo energético combina el aprovechamiento de fuentes de energía tradicionales como la hidroeléctrica, la energía eólica y la energía solar, y utiliza las diferencias en la distribución temporal y espacial de las tres fuentes de energía para lograr un desarrollo complementario durante el período. Es adecuado para áreas remotas que son difíciles de cubrir por la red eléctrica y favorece la protección del medio ambiente ecológico en el desarrollo energético.
Análisis de la solución del sistema híbrido eólico-solar
La solución del sistema híbrido eólico-solar se utiliza principalmente para iluminación vial, agricultura, ganadería, cultivos, turismo, publicidad, industria de servicios, puertos, áreas montañosas, zonas forestales, ferrocarriles, petróleo, puestos militares fronterizos, estaciones de retransmisión de comunicaciones, estaciones de señales de carreteras y ferrocarriles, estaciones de exploración geológica, estaciones de trabajo de investigación de campo y otras áreas con dificultades en el suministro de energía.
El sistema híbrido eólico-solar consta principalmente de un aerogenerador, una matriz de paneles solares, un controlador inteligente, un paquete de baterías, un inversor multifuncional, cables y soportes y partes auxiliares para formar un sistema de generación de energía. La energía eólica se utiliza para generar electricidad por la noche y en días lluviosos cuando no hay luz solar, y la energía solar se utiliza para generar electricidad en días soleados. Cuando hay viento y sol, ambos trabajan al mismo tiempo, logrando la función de generación de energía en todo tipo de clima, lo que resulta más económico, científico y práctico que utilizar solo aerogeneradores o energía solar.
Diagrama del sistema híbrido eólico-solar:
Los aerogeneradores son dispositivos que convierten la energía mecánica de las turbinas eólicas en energía eléctrica. Los aerogeneradores se dividen en generadores de corriente continua (CC) y generadores de corriente alterna (CA).
(1) Generador de corriente continua (CC) Generador de corriente continua excitado eléctricamente.
Este tipo de generador se divide en tres tipos: autoexcitados, excitados externamente y excitados de forma compuesta. Los pequeños sistemas de generación de energía en corriente continua generalmente se usan junto con baterías, y la capacidad del dispositivo generalmente es inferior a 1000 W. Generador de corriente continua de imán permanente. En comparación con el generador de corriente continua excitado eléctricamente, este tipo de generador tiene una estructura más simple. Su voltaje de salida varía con la velocidad del viento. Es necesario agregar una batería y un sistema de control entre el generador y la carga, y ajustar el voltaje de salida regulando el ciclo de trabajo del sistema de control. Dado que los generadores de corriente continua tienen una estructura compleja y son costosos, además de que están equipados con conmutadores y rectificadores, el mantenimiento es muy problemático en caso de falla. Por lo tanto, este tipo de aerogenerador rara vez se utiliza en aplicaciones prácticas.
(2) Generador de corriente alterna (CA)
Los generadores de corriente alterna se dividen en generadores sincrónicos y asincrónicos. Los generadores sincrónicos funcionan a la velocidad sincrónica, que está determinada por el número de polos y la frecuencia del generador sincrónico, mientras que los generadores asincrónicos funcionan a una velocidad ligeramente superior a la de los generadores sincrónicos. Existen principalmente generadores autoexcitados sin escobillas con polo en garra, generadores de corriente alterna autoexcitados con rectificador, generadores de inducción y generadores de imán permanente. Los generadores sincrónicos trifásicos de imán permanente se utilizan principalmente en pequeños sistemas de generación de energía eólica. Los generadores sincrónicos trifásicos de imán permanente suelen ser pequeños, de alta eficiencia y de bajo costo. La estructura del estator del generador sincrónico de imán permanente es similar a la de un motor sincrónico común, y el rotor adopta una estructura de imán permanente. Debido a que no tiene devanados de excitación, no consume energía de excitación, lo que le otorga una mayor eficiencia. Además, dado que el generador sincrónico de imán permanente omite el dispositivo de conmutación y las escobillas, tiene una alta fiabilidad, pérdidas de hierro en el estator relativamente pequeñas, bajas pérdidas mecánicas y una vida útil prolongada.
(3) Paneles solares
Los paneles fotovoltaicos solares convierten principalmente la energía solar en energía eléctrica.
(4) Batería
Como dispositivo de almacenamiento de energía en el sistema híbrido eólico-solar, la batería juega un papel muy importante en todo el sistema de generación de energía. En primer lugar, debido a que el viento y la luz natural son inestables, cuando hay exceso de viento y luz, la energía excedente se almacena. Cuando el viento y la luz son insuficientes, la batería del dispositivo de almacenamiento de energía puede utilizarse como fuente de energía para la carga; en segundo lugar, la batería tiene un efecto de filtrado, lo que puede hacer que la salida de energía del sistema de generación hacia la carga sea más fluida; además, la generación de energía eólica y fotovoltaica se ve fácilmente afectada por el clima y el entorno, y la cantidad de electricidad generada varía en diferentes momentos, con grandes diferencias. Como el "centro" entre ellos, la batería puede conectarlos bien y puede integrar la energía solar y eólica para lograr el efecto complementario entre ambos.
(5) Controlador híbrido eólico-solar
El controlador híbrido eólico-solar se compone de dos partes: la placa de circuito principal y la placa de circuito de control.
La placa de circuito principal controla todo el sistema y es el núcleo del control. Sus circuitos periféricos incluyen circuitos de muestreo de voltaje y corriente, circuitos de manejo de tubos de potencia, circuitos de protección, circuitos de comunicación, circuitos de alimentación auxiliar, etc. El circuito principal está compuesto por dos circuitos de reducción de voltaje con terminales de salida independientes conectados en paralelo, uno es el circuito principal del sistema de generación fotovoltaica, y el otro es el circuito principal del sistema de generación eólica.
Resumen del sistema híbrido eólico-solar
Tanto los recursos eólicos como los solares son inciertos. Debido a la incertidumbre de los recursos, la electricidad generada por los sistemas de generación eólica y solar es desequilibrada y no puede ser utilizada directamente para alimentar la carga. Para proporcionar un suministro de energía estable a la carga, se debe utilizar la batería, el "centro", para ofrecer un suministro de energía constante. El sistema híbrido inteligente eólico-solar, compuesto por baterías, paneles solares, aerogeneradores y controladores, puede conectar eficazmente la complementariedad de la energía eólica y solar tanto en el tiempo como en la región.
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