TESIS - Bienvenidossepielectrica.esimez.ipn.mx/tesise/2010/impactopamela.pdf · The DIgSILENT PowerFactory software version 14.0.514 was used to perform the simulations. This software

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica

Seccin de Estudios de Posgrado e Investigacin

DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA

Impacto de la Generacin Elica y Solar en el Sistema Elctrico

de Baja California Norte

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERA ELCTRICA

PRESENTA

PAMELA SUREZ VELZQUEZ MXICO, D.F. 2010

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL COORDINACIN GENERAL DE POSGRADO EN INVESTIGACIN

CARTA CESION DE DERECHOS En la Ciudad de Mxico, Distrito Federal, el da 11 del mes de Octubre del ao 2010, el

(la) que suscribe Pamela Surez Velzquez alumno(a) del Programa de Maestra en

Ciencias en Ingeniera Elctrica con nmero de registro B081657, adscrito a la Seccin

de Estudios de Posgrado e Investigacin de la ESIME Unidad Zacatenco, manifiesta que

es autor(a) intelectual del presente Trabajo de Tesis bajo la direccin del M. en C. Gilberto

Enrquez Harper y cede los derechos del trabajo intitulado: Impacto de la Generacin

Elica y Solar en el Sistema Elctrico de Baja California Norte, al Instituto Politcnico

Nacional para su difusin, con fines acadmicos y de investigacin.

Los usuarios de la informacin no deben reproducir el contenido textual, grficas o datos

del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido

escribiendo a la siguiente direccin: [email protected], [email protected].

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Agradecimientos Quiero agradecer a mis padres por su gran apoyo y por la confianza que me han dado, porque siempre me dan nimos. Quiero agradecer a mis hermanos Gabi y Andrs por darme siempre buenos consejos, momentos agradables y porque estn siempre conmigo. A Octavio por su paciencia, sus consejos y su contribucin para que terminara esta etapa, por su cario. Gracias en especial al Maestro Harper por ser un gran maestro y una gran persona, por el apoyo que me ha dado, por ser un ejemplo a seguir. Gracias a la gente de la UIE, en especial al Ing. Cuevas y Alfredo que siempre pudieron darme consejos con alegra, por su disposicin y por ensearme otras formas de trabajo, y en general a todos los que contribuyeron de alguna forma a la conclusin de este trabajo ya sea con risas o consejos. Quiero agradecer al IPN y a mis compaeros de maestra que con su buen humor y su ejemplo siempre hicieron ms satisfactoria, productiva y alegre esta etapa. A mis amigos por su paciencia y a todos aquellos que me falten GRACIAS.

Impacto de la Generacin Elica y Solar en el Sistema Elctrico de Baja California Norte

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RESUMEN

La generacin de energa elctrica se ha basado histricamente en el uso de combustibles fsiles principalmente, sin embargo se pronostica que habr desabasto de stos para las prximas dcadas, adems de que su uso es la principal causa del cambio climtico inducido por los seres humanos y ste es uno de los temas que estn como prioridad en la agenda a nivel mundial. Es por ello que es indispensable e impostergable buscar fuentes alternativas para generar energa y destinar los recursos necesarios para desarrollar estas tecnologas, llevar a cabo estudios de los efectos que producen en su conexin con la red y capacitar a gente que lleve a cabo su implementacin. Esta tesis presenta los factores que hay que considerar para llevar a cabo la interconexin de generacin de fuentes renovables con la red, as como analizar el comportamiento que tiene en la misma. Al principio se da una introduccin a fuentes renovables y generacin distribuida, despus se explica la manera en que se determina el potencial de energa elica y solar que tiene un sitio, se presentan los tipos de conexiones que hay y las caractersticas de los generadores solares y elicos de manera que se pueda realizar una seleccin adecuada del tipo de generador dependiendo de las caractersticas del lugar y de los generadores. Se presenta el impacto que tienen las fuentes renovables de energa en los sistemas elctricos y los criterios tcnicos que hay que observar para poder realizar la interconexin. Por ltimo se analizan casos de aplicacin en la red de Baja California Norte en la zona de La Rumorosa ya que es una zona que cuenta con gran recurso elico, y una regin cercana llamada El Florido para generacin solar. Adems de contar con recursos elicos y solares importantes, tienen cercana a lneas elctricas de transmisin y caractersticas topogrficas favorables. Se determina la capacidad de generacin a instalar, se seleccionan los generadores y el equipo requerido para realizar la interconexin y se efecta el anlisis del comportamiento de las energas renovables operando conectadas con la red en diversos escenarios. Para realizar las simulaciones se emplear el software DIgSILENT PowerFactory Versin 14.0.514. Este es un software que se usa para modelar generacin, transmisin, distribucin y redes industriales.


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ABSTRACT

Electricity generation is and has been, historically, based on the use of fossil fuels, however forecasts predict that there will be a lack of supply of these fuels in the coming decades. Additionally, their use has been defined as the single most important contributor to climate change. As a consequence, one of the priorities worldwide in the energy sector is to seek alternative sources of energy and to allocate the necessary resources in order to develop these technologies, carrying out studies about the effects that these technologies produce in their connection to the grid and providing the adequate qualification for people to carry out its implementation.

The main objective of this thesis is to present the main factors that must be considered in order to make a successful interconnection of renewable energies to the grid and to analyze its behavior. Initially, the concept of distributed generation and renewable energy is presented, also the procedure to determine the potential of wind and solar energy at a given location. Furthermore, different kinds of connections and the main features of wind and solar generators are described, so as to allow an adequate selection of the type of generator required, depending on the features of the site and of the generators. Finally, the impact that renewable energy has on the distribution networks is presented and the technical criteria that has to be observed in order to make the interconnection. Cases of application are analyzed in the Baja California Norte grid in determining generation capability to install, picking the generators and devices needed to accomplish the interconnection and making the analysis of renewable energies operating connected to the grid upon different sceneries.

The DIgSILENT PowerFactory software version 14.0.514 was used to perform the simulations. This software is used to model generation, transmission, distribution and industrial networks.


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CONTENIDO

Pgina RESUMEN ..................................................................................................................... i ABSTRACT ...................................................................................................................... ii CONTENIDO .................................................................................................................... iii LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................... vii LISTA DE TABLAS ......................................................................................................... xi NOMENCLATURA Y SIGLAS... xii

CAPTULO 1 INTRODUCCIN

1.1 INTRODUCCIN ...................................................................................................... 11.2 OBJETIVO DE LA TESIS ......................................................................................... 21.3 JUSTIFICACIN DE LA TESIS ............................................................................... 21.4 ANTECEDENTES ..................................................................................................... 21.5 TRABAJOS ANTERIORES ...................................................................................... 41.6 APORTACIONES DE LA TESIS .............................................................................. 51.7 LIMITACIONES Y ALCANCES .............................................................................. 51.8 ESTRUCTURA DE LA TESIS .................................................................................. 6

CAPTULO 2 FUENTES RENOVABLES DE ENERGA ELICA Y SOLAR

2.1 INTRODUCCIN ...................................................................................................... 72.2 FUENTES RENOVABLES DE ENERGA .............................................................. 8

2.2.1 Generacin elica y solar .............................................................................. 122.2.1.1 Energa Elica .......................................................................... 122.2.1.2 Energa Solar. ........................................................................... 14

2.2.1.2.1 Energa Solar Trmica ............................................... 152.2.1.2.2 Energa solar fotovoltaica .......................................... 17

2.2.2 Estado actual en Mxico y el mundo por tipo de energa ............................. 202.2.3 Ventajas y desventajas .................................................................................. 24

CAPTULO 3

ELEMENTOS PARA LA DETERMINACIN DE POTENCIA DE GENERACIN ELCTRICA

3.1 INTRODUCCIN .................................................................................................... 263.2 EVALUACIN DE LOS RECURSOS SOLAR Y ELICO .................................. 27

3.2.1 Recurso solar. ............................................................................................ 273.2.2 Recurso elico ........................................................................................... 29

3.3 SISTEMAS AISLADOS O CONECTADOS A LA RED ....................................... 32


iv

3.3.1 Configuracin de sistemas aislados .............................................................. 323.3.2 Configuracin de sistemas conectados a la red ............................................. 343.3.3 Tipo de almacenamiento de energa ............................................................. 37

3.4 SELECCIN DEL TIPO DE GENERADOR .......................................................... 383.4.1 Generadores elicos ...................................................................................... 393.4.2 Generadores solares ...................................................................................... 41

3.5 OTRAS CONSIDERACIONES ............................................................................... 44

CAPTULO 4 MODELADO DE LAS DISTINTAS COMPONENTES DE LA GENERACIN

ELICA Y SOLAR 4.1 INTRODUCCIN .................................................................................................... 464.2 MODELADO DE GENERACIN ELICA .......................................................... 46

4.2.1 Turbinas elicas de velocidad fija ................................................................. 474.2.2 Turbinas de viento de velocidad variable. .................................................... 484.2.3 Generador sncrono ....................................................................................... 50

4.2.3.1 Modelo del generador sncrono de imanes permanentes .............. 514.2.4 Generador asncrono o de induccin ............................................................. 55

4.2.4.1 Modelo del generador de induccin doblemente alimentado (DFIG) .......................................................................... 56

4.2.5 Sistemas de inversores. ................................................................................. 604.2.6 Modelo de la turbina de viento ..................................................................... 61

4.3 MODELADO DE GENERACIN SOLAR ............................................................ 624.3.1 Dimensionamiento de proyectos ................................................................... 674.3.2 Evaluacin de la carga .................................................................................. 674.3.3 Seleccin del panel fotovoltaico ................................................................... 684.3.4 Banco de bateras .......................................................................................... 684.3.5 Controlador ........................................................................................... 684.3.6 Inversor.. ........................................................................................... 68

4.4 CRITERIOS TCNICOS DE CONEXIN A LA RED DE PEQUEOS GENERADORES ..................................................................................................... 694.4.1 Nivel de tensin al cual ser conectada la generacin .................................. 694.4.2 Calidad de la energa ..................................................................................... 704.4.3 Nivel de corto circuito .................................................................................. 704.4.4 Coordinacin de protecciones ....................................................................... 714.4.5 La seguridad del personal de mantenimiento ................................................ 734.4.6 Barreras econmicas. .................................................................................... 734.4.7 Aspectos normativos ..................................................................................... 74

4.5 IMPACTO DE LA GENERACIN DISTRIBUIDA CON FUENTES RENOVABLES EN LA RED .................................................................................. 744.5.1 Flujos de potencia ......................................................................................... 744.5.2 Regulacin de voltaje .................................................................................... 764.5.3 Prdidas RI2 .......................................................................................... 774.5.4 Calidad de la energa ..................................................................................... 78

4.5.4.1 Flicker. .......................................................................... 784.5.4.2 Armnicas.. .......................................................................... 78

4.5.5 Influencia de la generacin distribuida en las potencias de cortocircuito .... 79


v

4.5.6 Efectos de la generacin distribuida en la regulacin frecuencia potencia 814.5.7 Problemas de protecciones ............................................................................ 814.5.8 Algunas soluciones ....................................................................................... 85

4.6 REQUERIMIENTOS PARA LA INTERCONEXIN DE FUENTES RENOVABLES A GRAN ESCALA ....................................................................... 884.6.1 Control de potencia activa y de frecuencia ................................................... 894.6.2 Control de potencia reactiva y regulacin de voltaje .................................... 904.6.3 Recomendaciones para el comportamiento ante fallas ................................. 92

CAPTULO 5

ANLISIS DE CASOS ESPECFICOS Y SU APLICACIN EN SISTEMAS ELCTRICOS

5.1 INTRODUCCIN .................................................................................................... 945.2 RED ELCTRICA EN LA ZONA ........................................................................... 965.3 GENERACIN ELICA EN LA RUMOROSA .................................................... 97

5.3.1 Antecedentes. ............................................................................................ 975.3.2 Seleccin del sitio ......................................................................................... 985.3.3 Seleccin de los aerogeneradores ............................................................... 101

5.3.3.1 Generador doblemente alimentado Gamesa G87-2.0 MW ........ 1015.3.3.2 Generador sncrono Liberty C93 2.5 MW .................................. 102

5.3.4 Diseo del proyecto .................................................................................... 1035.3.5 Estudios realizados ...................................................................................... 105

5.3.5.1 Flujos de potencia ....................................................................... 1065.3.5.2 Estudio de corto circuito ............................................................. 1115.3.5.3 Rfagas de viento ....................................................................... 1145.3.5.4 Desconexin y conexin de turbinas elicas .............................. 1215.3.5.5 Comparacin de generador sncrono y asncrono ...................... 124

5.3.6 Anlisis de las simulaciones ....................................................................... 1335.4 GENERACIN SOLAR EN EL FLORIDO .......................................................... 135

5.4.1 Seleccin del sitio ....................................................................................... 1355.4.2 Caractersticas del proyecto ........................................................................ 1365.4.3 Dimensionamiento de la instalacin ........................................................... 139

5.4.3.1 Vivienda de 1000 W ................................................................... 1405.4.3.2 Vivienda de 1500 W ................................................................... 144

5.4.4 Energa generada y costo aproximado ........................................................ 1455.4.5 Estudios realizados ...................................................................................... 146

5.4.5.1 Flujos de potencia ....................................................................... 1465.4.5.2 Estudios de corto circuito ........................................................... 1495.4.5.3 Desconexin y conexin del GD ................................................ 1495.4.5.4 Falla en El Florido ...................................................................... 151

5.4.6 Anlisis de las simulaciones ....................................................................... 153

CAPTULO 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS

6.1 CONCLUSIONES GENERALES .......................................................................... 1556.2 CONTRIBUCIONES ............................................................................................. 1566.3 RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS .................................... 156


vi

REFERENCIAS158

APNDICE A GENERACIN DISTRIBUIDA Y FUENTES RENOVABLES DE ENERGA

A.1 GENERACIN DISTRIBUIDA. 166 A.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS.. 168 A.3 FUENTES RENOVABLES DE ENERGA 169 A.4 ESTADO ACTUAL EN MXICO Y EN EL MUNDO.. 176 A.5 MARCO LEGAL, REGULATORIO Y NORMATIVO EN MXICO.. 179

APNDICE B CLCULO DE UNA INSTALACIN FOTOVOLTAICA

PARA UN SISTEMA AISLADO B.1 INTRODUCCIN. 182 B.2 SOLUCIN... 183

APNDICE C PARMETROS DE LA RED DE ESTUDIO EN BAJA CALIFORNIA NORTE Y

CREACIN DE UNA RED EN DIgSILENT

C.1 PARMETEROS DE LA RED DE ESTUDIO.. 188 C.2 CREACIN DE UN CASO EN DIgSILENT 190


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LISTA DE FIGURAS

Pgina CAPTULO 2

Figura 2.1. a) Red elctrica sin GD. b) Red elctrica con GD.. 7 Figura 2.2. Calentamiento Global.............................................................................. 10 Figura 2.3. Tasa de crecimiento anual promedio de las fuentes renovables de energa 2002 2006..................................................................................... 10 Figura 2.4. Turbinas elicas........................................................................................... 12 Figura 2.5. Componentes principales de una turbina elica.......................................... 13 Figura 2.6. Crecimiento real de eoloelctrica instalada en el mundo.............................14 Figura 2.7. Colector cilindro parablico................................................................. 15 Figura 2.8. Tecnologa del colector cilindro parablico......................................... 15 Figura 2.9. Torre central............................................................................................. 16 Figura 2.10. Tecnologa de torre central.......................................................................... 16 Figura 2.11. Discos parablicos....................................................................................... 16 Figura 2.12. Tecnologa de discos parablicos................................................................ 16 Figura 2.13. Tecnologa de celda fotovoltaica................................................................. 17 Figura 2.14. Panel solar.................................................................................................... 18 Figura 2.15. Precios de mdulos y sistemas fotovoltaicos en pases OCED 1996 2006..................................................................................................19 Figura 2.16. Desglose de costos de componentes de sistemas fotovoltaicos................... 20 Figura 2.17. Capacidad mundial instalada de paneles fotovoltaicos 1995 2007........... 21 Figura 2.18. Capacidad instalada de energa PV 1992 2006......................................... 22 Figura 2.19. Electricidad generada en Mxico por tipo de combustible.......................... 22 Figura 2.20. Crecimiento mundial esperado por tipo de energa..................................... 23

CAPTULO 3 Figura 3.1. Insolacin anual Mxico.............................................................................. 28 Figura 3.2. Seguidor solar de dos ejes............................................................................ 29 Figura 3.3. Mapa de los recursos elicos anuales promedio de Mxico para aplicaciones de energa rurales.................................................................... 30 Figura 3.4. Histograma de frecuencias de velocidad de viento por rangos.................... 30 Figura 3.5. Variacin mensual de la energa del viento................................................. 31 Figura 3.6. Localizacin de las turbinas elicas 32 Figura 3.7. Esquema de un sistema aislado.................................................................... 33 Figura 3.8. Esquema de un sistema conectado a la red.................................................. 35 Figura 3.9. Esquema de un sistema conectado a la red con auto abastecimiento.......... 35 Figura 3.10. Sistema FV pequeo con medicin neteada 36 Figura 3.11. Patrn diario de venta y compra de energa de un sistema conectado a la red suministradora................................................................................. 36


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Figura 3.12. Diagrama de bloques de un sistema de generacin aislado usando un generador de corriente directa...................................................................... 40 Figura 3.13. Eleccin del generador de acuerdo a las caractersticas de viento.. 41 Figura 3.14. Caracterstica I-V de un mdulo FV baja a una menor intensidad de sol, con una pequea reduccin de voltaje.................................................. 42 Figura 3.15. Curva del coseno de Kelly para una celda FV a ngulos de sol de 0 a

90................................................................................................................ 42 Figura 3.16. Mxima potencia y estabilidad de funcionamiento coincidentes con una carga resistiva constante........................................................................ 43 Figura 3.17. Efecto de la temperatura en la caracterstica I-V......................................... 44

CAPTULO 4 Figura 4.1. Principales componentes para la conexin a red de una turbina elica....... 46 Figura 4.2. Parque elico con generador de induccin a velocidad fija......................... 48 Figura 4.3. Parque elico con generador sncrono de velocidad variable...................... 49 Figura 4.4. Parque elico con generador de induccin doblemente alimentado de velocidad variable........................................................................................ 49 Figura 4.5. Generador sncrono de convertidor completo (full converter).................... 51 Figura 4.6. Alimentacin a frecuencia constante de C.A. con convertidor a C.D......... 51 Figura 4.7. Circuito monofsico equivalente de un generador sncrono con excitacin

en C.D.. 51 Figura 4.8. Circuito equivalente simplificado de un generador sncrono excitado por

imanes permanentes. 52 Figura 4.9. Conexin de generadores asncronos........................................................... 55 Figura 4.10. Modelo general de un generador de induccin de jaula de ardilla.. 56 Figura 4.11. Mquina de induccin doblemente alimentada con un convertidor del

lado del rotor 58 Figura 4.12. Interaccin entre cada componente de una unidad elica............................ 61 Figura 4.13. Circuito equivalente de un mdulo FV mostrando el diodo y las corrientes de fuga a tierra..............................................................................................62 Figura 4.14. Caracterstica corriente vs. voltaje (I-V) de un mdulo FV en la luz del sol y en la oscuridad............................................................................... 65 Figura 4.15. Caracterstica potencia vs. voltaje (P-V) de un mdulo FV en la luz del

sol................................................................................................................. 66 Figura 4.16. Proteccin bsica de interconexin para GDs pequeos............................. 72 Figura 4.17. Proteccin de interconexin bsica para GDs de tamao medio................. 73 Figura 4.18. Regulacin de voltaje en una red de distribucin........................................ 76 Figura 4.19. Curvas tipo U. Prdidas en redes de distribucin en funcin del grado de penetracin de la GD............................................................................... 77 Figura 4.20. Circuito equivalente..................................................................................... 80 Figura 4.21. Circuito de distribucin con falla en un alimentador................................... 82 Figura 4.22. Operacin en isla......................................................................................... 83 Figura 4.23. Fallas en un sistema de distribucin.... 84 Figura 4.24. Cada de Tensin especificada en el Cdigo de Red mexicano...93


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CAPTULO 5 Figura 5.1. Diagrama de bloques del procedimiento seguido para realizar anlisis...... 95 Figura 5.2. Diagrama Unifilar de la red de 230 kV asociada a la zona de La

Rumorosa.... 96 Figura 5.3. Mapa elico Baja California Norte. 98 Figura 5.4. Corto circuito en La Rosita 100 Figura 5.5. Curva de Potencia Gamesa G87-2.0 MW (para una densidad del aire de

1,225 kg/m3)...102 Figura 5.6. Curva de potencia Liberty C93.. 103 Figura 5.7. Parque elico de 10 MW... 104 Figura 5.8. Parque elico de 500 MW..... 105 Figura 5.9. Flujos de potencia originales..... 107 Figura 5.10. Flujos de potencia con 10 MW instalados.... 108 Figura 5.11. Flujos de potencia con 50 MW instalados.... 109 Figura 5.12. Flujos de potencia con 500 MW instalados.. 109 Figura 5.13. Corto circuito trifsico en todos los nodos sin GD 111 Figura 5.14. Corto circuito trifsico en todos los nodos con 50 MW de GD

(generadores sncronos)..... 112 Figura 5.15. Corto circuito trifsico en todos los nodos con 500 MW de GD

(generadores sncronos) 112 Figura 5.16. Corto circuito trifsico en todos los nodos con 500 MW de GD

(generadores asncronos)... 113 Figura 5.17. a) Potencia activa y b) Potencia reactiva ante rfaga de viento con 10

MW instalados.. 115 Figura5.18. Voltaje en La Rosita y en la Unidad 1 ante rfaga de viento... 115 Figura 5.19. Frecuencia en U1 y en La Rosita ante rfaga..... 116 Figura 5.20. Potencia activa y reactiva ante rfaga de viento con 500 MW instalados... 117 Figura 5.21. Voltaje en La Rosita y en la Unidad 1 ante rfaga de viento... 117 Figura 5.22. Frecuencia en U1 y en La Rosita ante rfaga... 118 Figura 5.23. Potencia activa en el punto de interconexin en algunas lneas.... 119 Figura 5.24. Potencia reactiva en el punto de interconexin. 119 Figura 5.25. Voltaje de fase en p.u. para algunos nodos.. 120 Figura 5.26. Comportamiento de la frecuencia ante una rfaga de viento.... 121 Figura 5.27. Corriente ante la conexin del parque elico de 10 MW.. 122 Figura 5.28. Voltaje en algunos nodos ante conexin del parque elico... 122 Figura 5.29. Comportamiento de la corriente ante la desconexin de dos grupos de

generadores en un parque elico de 500 MW.... 123 Figura 5.30. Comportamiento de la potencia activa ante la desconexin de dos grupos

de generadores.. 124 Figura 5.31. Potencia activa ante rfaga de viento. 125 Figura 5.32. Variacin de voltaje ante rfaga de viento.... 125 Figura 5.33. Conexin del generador sncrono y del generador asncrono. Corriente en

el transformador de interconexin. 126 Figura 5.34. Comportamiento del voltaje en el arranque en el punto de conexin.... 127 Figura 5.35. Comportamiento de la corriente ante corto circuito en La Rosita. 127


x

Figura 5.36. a) Comportamiento de la potencia activa y reactiva en el transformador de interconexin ante corto circuito en La Rosita. 128

Figura 5.37. Comportamiento del voltaje en la subestacin de La Rosita y en la Unidad 1 y 2... 129

Figura 5.38. Comportamiento de la frecuencia ante falla trifsica en La Rosita... 130 Figura 5.39. Comportamiento de la corriente cuando hay un corto circuito en La

Rosita. 130 Figura 5.40. Comportamiento de la potencia activa cuando existe un corto circuito en

La Rosita 131 Figura 5.41. Comportamiento de la potencia reactiva ante un corto circuito en La

Rosita. 132 Figura 5.42. Comportamiento del voltaje cuando hay un corto circuito en La

Rosita.... 132 Figura 5.43. Conexin de una casa con GD solar FV 136 Figura 5.44 Generacin Distribuida formada por un conjunto residencial con paneles

fotovoltaicos.. 137 Figura 5.45. Diagrama de bloques de un sistema fotovoltaico conectado a la red 139 Figura 5.46. Flujos sin GD conectada 147 Figura 5.47. Flujos con GD conectada.. 148 Figura 5.48. Comportamiento de la corriente ante conexin de GD solar FV.. 150 Figura 5.49. Comportamiento del voltaje en la subestacin El Florido 13.8kV ante

conexin de GD solar FV. Comportamiento de la frecuencia elctrica en la subestacin El Florido 13.8kV y 69kV.. 151

Figura 5.50. Comportamiento de la corriente y de la potencia activa ante corto circuito en El Florido...152

Figura 5.51. Comportamiento del voltaje y de la frecuencia ante corto circuito en El Florido 152


xi

LISTA DE TABLAS

Pgina

CAPTULO 2 Tabla 2.1. Desarrollo de las energas renovables en el mundo..................................... 11

CAPTULO 3 Tabla 3.1. Tipos de tecnologas para almacenamiento de energa................................ 38 Tabla 3.2 ngulo de inclinacin de los paneles solares de acuerdo a la latitud del

lugar. 42

CAPTULO 4 Tabla 4.1. Tabla comparativa de tipo de interconexin de generadores....................... 60 Tabla 4.2. Problemas de los generadores elicos.......................................................... 61 Tabla 4.3 Tipos de conexin de los transformadores de interconexin de la GD....... 84

CAPTULO 5 Tabla 5.1 Respuesta del sistema de interconexin para voltajes anormales.. 107 Tabla 5.2 Respuesta del sistema de interconexin para frecuencias anormales 107 Tabla 5.3 Mxima distorsin armnica de voltaje en por ciento del voltaje nominal

para mquinas sncronas 107 Tabla 5.4 Flujos de potencia sin GD.... 108 Tabla 5.5 Flujos de potencia con 500 MW instalados.. 111 Tabla 5.6 Niveles de corriente de corto-circuito trifsica en las subestaciones

cercanas a La Rumorosa sin GD y con GD... 114 Tabla 5.7 Datos de cargas para casa de 1000 W en verano... 141 Tabla 5.8 Caractersticas de panel solar Sharp ND-198U1F.... 142 Tabla 5.9 Datos de cargas para casa de 1000 W en invierno.... 142 Tabla 5.10 Especificaciones del inversor Go Power! GP-SW600 W. 144 Tabla 5.11 Flujos de potencia en algunos nodos sin GD conectada... 148 Tabla 5.12 Flujos de potencia en algunos nodos con 10 MW de GD conectada a El

Florido... 148 Tabla 5.13 Prdidas en algunas lneas sin GD instalada. 150 Tabla 5.14 Prdidas en algunas lneas con GD conectada a El Florido...150


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NOMENCLATURA Y SIGLAS

A rea AT Alta tensin BT Baja tensin cc Corto circuito C.D. Corriente directa C.A. Corriente alterna c/u Cada uno DFIG Generador de induccin doblemente alimentado DFIM Mquinas de induccin doblemente alimentadas f Frecuencia FP Factor de potencia FV Fotovoltaico GD Generacin distribuida HSP Hora solar pico I Corriente [Amperes] I-V Corriente vs. Voltaje LTC Transformador con cambiador de taps M.N. Moneda Nacional MT Media tensin MSNM Metros sobre el nivel del mar n Velocidad rotacional p Nmero de par de polos P Potencia activa [Watts] PCC Punto de Conexin Comn p.u. Por unidad PV Densidad de potencia [watts/m2] PWM Modulacin por ancho de pulso Q Potencia reactiva [VARs] R Resistencia [ohms] r Relacin de transmisin Rd Valor de la radiacin [mW/cm2] RMS Valor eficaz s Deslizamiento SEP Sistema Elctrico de Potencia STC Condiciones estndar T Torque Ta Mxima temperatura ambiente THD Distorsin armnica total Tt Temperatura de trabajo del panel


xiii

USD Dlares de Estados Unidos VA Potencia aparente [Volt Amperes] VV Velocidad del viento en el eje de la turbina YN Conexin estrella aterrizada Y Conexin estrella Z Impedancia Conexin delta Eficiencia C Temperatura en grados centgrados Centavos ACBC rea de Control Baja California ANSI Instituto Nacional Americano de Estndares CFE Comisin Federal de Electricidad CIGRE Consejo Internacional de Grandes Sistemas Elctricos CONAE Comisin Nacional para el Uso Eficiente de la Energa CRE Comisin Reguladora de Energa DOE US Department of Energy EIA Agencia Internacional de Energa p4 EPRI Electrical Power Research Institute p4 IEC Comisin Electrotcnica Internacional IEEE Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrnica IIE Instituto de Investigaciones Elctricas NREL National Renewable Energy Laboratory SMN Servicio Meteorolgico Nacional WECC Western Electricity Coordinating Council

1

1 INTRODUCCIN CAPTULO

1.0 Introduccin 1.1 INTRODUCCIN La energa elica y la solar son algunas de las energas renovables con mayor uso y popularidad alrededor del mundo. En otros pases ya se han implementado generadores de fuentes renovables que han permitido observar los efectos que producen. Mxico tambin ha implementado proyectos de este tipo y cuenta con un gran potencial. Sin embargo se presentan nuevos retos con el surgimiento y la expansin en el uso de estas tecnologas, y la operacin de fuentes renovables interconectadas con la red es un rea es donde hace falta mayor investigacin. En muchas partes del mundo se est trabajando para hacer frente a problemas importantes relacionados con la generacin de electricidad por los mtodos convencionales, incluyendo principalmente el calentamiento global, la escasez de hidrocarburos, el incremento en las tarifas elctricas en muchos lugares, la volatilidad del precio del gas natural, la disminucin de la calidad del aire y la salud pblica, la amenaza inminente de bajas tensiones o de apagones, el envejecimiento de la infraestructura y la congestin de la red, la inseguridad y la ineficiencia energtica. Mientras los costos de la generacin convencional de electricidad se vuelven cada vez ms evidentes, el precio de los sistemas de energa distribuidos y renovables contina decreciendo. Mucha gente ha reconocido que la necesidad de facilitar la interconexin de fuentes renovables de energa, limpia y en sitio, a la red elctrica se est demorando [1]. Las fuentes renovables de energa como la generacin elica y la solar se pueden instalar en una red en forma de grandes parques elicos o en forma de generacin distribuida. En general, la Generacin Distribuida (GD) se define como aquel tipo de generacin de pequea escala que se conecta directamente a las redes de distribucin en los distintos niveles de tensin que se tengan y eventualmente a una carga local [2]. En esta tesis se tratan los dos casos. La interconexin es un asunto complejo debido a las muchas consideraciones tcnicas y contractuales que necesitan atenderse. Hay pases y organizaciones que han desarrollado normas de interconexin que especifican los requerimientos tcnicos y normativos y los trminos bajo los que los dueos de los generadores distribuidos deben operar [1]. Sin embargo, en muchos otros casos, y conforme las fuentes renovables de energa van adquiriendo popularidad, la ausencia de normas uniformes de interconexin complican significativamente el proceso de interconexin y del mismo modo han obstruido el desarrollo de sistemas de energa renovables y otras formas de generacin distribuida.

Captulo 1. Introduccin

2

Debido a que la interconexin de fuentes renovables de energa es un asunto que implica desafos tecnolgicos principalmente por la intermitencia de estos recursos y por que la red necesita adaptarse para funcionar exitosamente con estas energas, y por su parte la generacin distribuida desafa la tradicin de ms de un siglo de generacin centralizada propiedad de las compaas suministradoras, se requieren consideraciones tcnicas cuidadosas y nuevas perspectivas sobre la propiedad y el control, adems de requerir una cultura que abra la puerta a las fuentes renovables de energa [1]. 1.2 OBJETIVO DE LA TESIS Analizar qu efectos tiene desde el punto de vista de la operacin la inyeccin de la energa elctrica generada a partir de la energa solar y elica en los sistemas elctricos. Saber cmo dimensionar los proyectos y elegir el generador ms adecuado, conocer los requisitos para interconectarse y el impacto que las fuentes renovables de energa producen en la red. Para realizar un anlisis de la aplicacin de generacin renovable se ha elegido el estado de Baja California Norte, especficamente la zona de La Rumorosa ya que es una zona que cuenta con gran recurso elico, y una regin cercana llamada El Florido para generacin solar. 1.3 JUSTIFICACIN DE LA TESIS En Mxico actualmente la generacin elica se encuentra en forma de parques elicos y la solar se emplea bsicamente para electrificacin rural y aplicaciones domsticas especficas. En este trabajo se trata de analizar la conexin de este tipo de generacin inyectada directamente a un sistema elctrico para analizar su efecto, ya que existe un potencial importante y con posibilidades de desarrollo en muchas partes del pas. Para realizar el anlisis se seleccion el estado de Baja California Norte. 1.4 ANTECEDENTES Desde los inicios de la generacin de energa elctrica las fuentes generadoras han sido dominadas por plantas de combustibles fsiles e hidroelctricas en menor medida. Con la invencin del generador elctrico en 1831 y su posterior evolucin, algunas instalaciones hidromecnicas en Inglaterra, Francia y Alemania se convirtieron en las primeras centrales hidroelctricas de la historia. Las primeras empresas elctricas (Swan Electric Light Co. y Edison Electric Co.) se establecieron en 1881 con el propsito de comercializar los servicios de iluminacin desarrollados en 1876 [3]. De hecho, la industria elctrica se fundament en la generacin en el sitio del consumo. Despus, como parte del crecimiento demogrfico y de la demanda de bienes y servicios, evolucion hacia el esquema de Generacin Centralizada, precisamente porque la central elctrica se encontraba en el centro geomtrico del consumo, mientras que los consumidores crecan a su alrededor. Sin embargo, se tenan restricciones tecnolgicas de los generadores elctricos de corriente continua y su conduccin mxima por baja tensin, que era de 30 a 57 kilmetros [4].


3

Con el tiempo, la generacin elctrica se estructur como se conoce hoy en da, es decir, con corriente alterna y transformadores, lo que permite llevar la energa elctrica prcticamente a cualquier punto alejado del centro de generacin. Bajo este escenario, se perdi el concepto de Generacin Centralizada, ya que las grandes centrales se encuentran en lugares distantes de las zonas de consumo, pero cerca del suministro del combustible y el agua [4]. Las grandes empresas elctricas han cumplido un papel importante en el desarrollo de la humanidad. Ejrcitos de tcnicos e ingenieros en todo el mundo trabajan incesantemente produciendo electricidad noche y da, y asegurando que sta llegue con la calidad y la oportunidad deseadas a todos los consumidores. Con todo ello, la tercera parte de la poblacin mundial no tiene an acceso al servicio elctrico [3]. En los aos setentas, factores energticos (crisis petrolera), ecolgicos (cambio climtico) y de demanda elctrica (alta tasa de crecimiento) a nivel mundial, plantearon la necesidad de alternativas tecnolgicas para asegurar, por un lado, el suministro oportuno y de calidad de la energa elctrica y, por el otro, el ahorro y el uso eficiente de los recursos naturales [4]. Las fuentes no renovables de energa proporcionan hoy en da el 87% de la oferta primaria de energa en el Mundo, mientras que en nuestro pas este porcentaje es de 89% [5]. Durante las ltimas dcadas se ha dado a nivel mundial un proceso de transicin hacia una mayor participacin de las energas renovables, impulsado por una serie de factores, entre los cuales se encuentran [5]:

las preocupaciones de soberana y de seguridad en el abasto de energa en pases importadores de energa, sobre todo a partir de las crisis petroleras, y la cada vez mayor volatilidad de los precios de los combustibles; y

las preocupaciones por los impactos ambientales de los sistemas energticos: en particular la lluvia cida y, ms recientemente, el cambio climtico.

Este proceso de transicin, impulsado por nuevas tecnologas y menores precios que son el resultado del desarrollo tecnolgico e industrial, se ha acelerado desde finales de la dcada de los noventas en varios pases del Mundo, entre los cuales resaltan Alemania, Espaa, Dinamarca, Estados Unidos, Brasil, India y China [5]. Frente a esta situacin se plantean dos caminos complementarios que marcan un nuevo rumbo en los esquemas de abastecimiento elctrico: el primero, relativo al ahorro y uso eficiente de electricidad; el segundo, relacionado con la pequea generacin elctrica con fuentes locales y fuentes renovables de energa [3]. Una alternativa tecnolgica es generar la energa elctrica lo ms cerca posible al lugar del consumo, precisamente como se haca en los albores de la industria elctrica, incorporando ahora las ventajas de la tecnologa moderna y el respaldo elctrico de la red del sistema elctrico para compensar cualquier requerimiento adicional de compra o venta de energa elctrica. A esta modalidad de generacin elctrica se le conoce como Generacin In-Situ, Generacin Dispersa, o ms cotidianamente, Generacin Distribuida [4].


4

Los problemas tcnicos de los sistemas de generacin no convencional se han venido resolviendo gracias a las importantes inversiones en investigacin cientfica y desarrollo tecnolgico que se han realizado en varios pases en los ltimos veinte aos. Los aspectos econmicos tambin han mejorado significativamente. Algunas tecnologas, como los grandes aerogeneradores y los incineradores de biomasa, ya pueden competir en muchos casos con los generadores convencionales. Otras, como los generadores fotovoltaicos, se han reducido en precio cuando menos por un factor de cincuenta en los ltimos veinte aos y empiezan a consolidarse como la opcin preferida para el suministro de pequeas cargas elctricas en zonas remotas; en efecto, se estima que unas 300 mil familias en zonas rurales de pases en desarrollo tienen como nico suministro elctrico pequeos generadores fotovoltaicos [3]. La generacin de energa con fuentes renovables an se encuentra en los albores de su desarrollo como concepto y seguramente habrn de pasar varios aos antes de que se resuelvan todos los problemas que inhiben su aplicacin generalizada. Estos problemas se ubican bsicamente en el mbito de lo institucional, lo econmico, lo financiero, lo social y lo ambiental. Los problemas tcnicos que an quedan pendientes sin duda se resolvern en tanto se sostengan los niveles de gasto en investigacin y desarrollo que se han observado hasta la fecha alrededor del mundo. El esquema de generacin distribuida se orienta ms hacia potenciar el capital local para resolver el problema de suministro elctrico como instrumento de desarrollo social y econmico local, que como un instrumento de negocios en s mismo [3]. En Mxico, la actual Ley del Servicio Elctrico abre las puertas al concepto de generacin distribuida con la introduccin de las figuras de autogenerador y pequeo productor [3]. las energas renovables cuentan hoy con un marco legal especfico: la Ley para el Aprovechamiento de las Energas Renovables y el Financiamiento de la Transicin Energica, publicada en el Diario Oficial de la Federacin el 28 de noviembre del 2008, que establece, entre otras disposiciones, la obligacin de la Secretara de Energa de elaborar un Programa Especial para el Aprovechamiento de Energas Renovables, as como una Estrategia Nacional para la Transicin Energica y el Aprovechamiento Sustentable de la Energa [5]. 1.5 TRABAJOS ANTERIORES En Mxico se han desarrollado algunos trabajos de investigacin en el rea de energas renovables. En la Seccin de Estudios de Posgrado e Investigacin de la Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica (SEPI-ESIME) del Instituto Politcnico Nacional (IPN) se han desarrollado trabajos acerca de coordinacin de poteccines en sistemas con generacin distribuida por Jos Pepe Asgado Cacique y Jorge Alberto Morales Vallejo, estudios sobre anlisis de prdidas y confiabilidad en una central eoloelctrica por Alicia Vega Santamarina, control neuronal de un generador de induccin para generacin elica por Ismael Gonzlez Garca, automatizacin de la caracterizacin de celdas solares por Edgar Moreno Garca, evaluacin de los beneficios de instalar la central eoloelctrica La Venta por Juan Ignacio Gallegos Snchez, y estudios del impacto de la generacin distribuida en el sistema de Luz y Fuerza por Dora Luz Galicia Mendoza.


5

En otros pases se han llevado a cabo estudios e implementacin de proyectos de energas renovables en comunidades rurales, estudios sobre la competitividad y evaluacin econmica de la energa solar, estudios sobre el futuro de la confiabilidad en los grandes sistemas de generacin con la presencia de fuentes intermitentes de energa renovable, sobre la combinacin de generacin elica y solar en pequea escala para satisfacer la demanda en las ciudades, anlisis de la mxima capacidad de penetracin de energa elica en una red, sobre energa elica fuera de la costa, sobre integracin de eco-villas, redes inteligentes, entre otros. 1.6 APORTACIONES DE LA TESIS

Se describen las caractersticas ms importantes de los generadores elicos y solares para poder realizar una seleccin adecuada del tipo de generador para el sitio seleccionado. Se presentan las configuraciones de conexin de los generadores y las caractersticas del equipo asociado a ellos que deben especificarse para realizar una conexin exitosa a la red que est definida mediante un Cdigo de Red del cual se presentan los aspectos ms importantes.

Se presentan los parmetros tcnicos que hay que observar para poder realizar una

conexin adecuada a la red y se describen los impactos que tienen las energas renovables.

Se realizan varios estudios con el programa DIgSILENT donde se aplican los

conocimientos antes mencionados en casos especficos de incorporacin de energa elica y solar a una red real, en los cuales se analizan los efectos que estas tecnologas presentan en la red.

1.7 LIMITACIONES Y ALCANCES Alcances:

1. Validar la metodologa para la determinacin de los potenciales de generacin elica y solar.

2. Revisar los distintos modelos de inyeccin de generacin elica y solar a la red.

3. Aplicar las metodologas de anlisis de redes (flujos de carga, corto circuito) en la

red de Baja California Norte operando con energa elica y solar.

4. Conclusiones y recomendaciones para la aplicacin de estas tecnologas en la red elctrica en Mxico.

Limitaciones: En este trabajo se presenta un panorama general de la interconexin de energa elica y solar a los sistemas elctricos por lo cual an hacen falta estudios ms especficos sobre


6

cada tema presentado por ejemplo en el tema de protecciones, control de los generadores, estabilidad de voltaje, aspectos econmicos, estudios sobre medicin de insolacin y de viento, etc., pero se puede tomar como una base para realizar dichos estudios. 1.8 ESTRUCTURA DE LA TESIS

Este trabajo consta de seis captulos y est estructurado de la siguiente forma:

En el captulo 1 se presenta la introduccin, los antecedentes y el objetivo de la tesis.

En el captulo 2 se presenta la definicin de las fuentes renovables de energa elica

y la solar, el estado actual de estas tecnologas en Mxico y en el mundo, y las ventajas y barreras que hay para su implementacin.

En el captulo 3 se exponen las configuraciones de conexin que puede tener este

tipo de generacin dependiendo del potencial elico o solar en un sitio y de si es conexin aislada o conectada a la red, y se presentan las caractersticas que son importantes en los generadores elicos y solares para determinar qu tipo de generador es el ms adecuado dependiendo de las caractersticas del sitio donde se vaya a instalar el generador.

En el captulo 4 se presentan las descripciones tcnicas de los generadores elicos y solares y su modelacin, estas caractersticas deben considerarse con el objeto de hacer una seleccin adecuada del equipo a emplear. Se presentan los criterios tcnicos que hay que considerar para conectar las fuentes renovables de energa a la red y el impacto que esta generacin tiene en la misma. Tambin se presentan caractersticas importantes de los Cdigos de Red para generacin a gran escala.

En el captulo 5 se presenta el procedimiento seguido para determinar el tipo y la capacidad de los generadores elicos y solares a instalar, ambos en el rea de Baja California. Se presentan las simulaciones realizadas en el programa comercial DIgSILENT y el anlisis del comportamiento de las fuentes renovables de energa en la red.

En el captulo 6 contiene las conclusiones generales y las recomendaciones para trabajos futuros obtenidas a partir de este trabajo.

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2 FUENTES RENOVABLES DE ENERGA CAPTULO ELICA Y SOLAR 2.0 GD 2.0 2.1 INTRODUCCIN En el pasado, las energas renovables eran generalmente ms caras para usarse en comparacin con los combustibles fsiles. Adems, los recursos renovables estn localizados frecuentemente en reas remotas y es costoso construir lneas de transmisin a las ciudades donde son requeridos. El uso de recursos renovables tambin est limitado por el hecho de que no estn siempre disponibles (por ejemplo, los das nublados reducen la energa solar, los das calmados significan que no habr viento que sople para mover las turbinas de viento, las sequas reducen la disponibilidad del agua para producir hidroelectricidad) [6]. La produccin y el uso de energas renovables ha crecido ms rpidamente en los aos recientes debido a los altos precios del petrleo y del gas natural, y una serie de incentivos federales e internacionales. El uso de energas renovables se espera que contine creciendo durante los prximos treinta aos, aunque an dependeremos de combustibles no renovables para satisfacer la mayor parte de nuestras necesidades de energa [6].

a) b)

Figura 2.1. a) Red elctrica sin GD. b) Red elctrica con GD. [7]

Captulo 2. Fuentes Renovables de Energa Elica y Solar

8

En la figura 2.1a se muestra en esquema de cmo es la generacin actualmente en donde las grandes centrales generadoras estn lejos de los centros de consumo, se encuentran conectadas a la red de transmisin y son la nica fuente de energa en una red radial (generacin centralizada). La figura 2.1b muestra un esquema con generacin distribuida en donde adems de contar con las grandes centrales tambin se cuenta con pequeas unidades en este caso de fuentes renovables de energa localizadas en la red de distribucin cerca de los centros de consumo. Una definicin muy conocida de Generacin Distribuida es la del IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers): "Generacin Distribuida es la produccin de electricidad con instalaciones que son suficientemente pequeas en relacin con las grandes centrales de generacin, de forma que se puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema elctrico. Es un subconjunto de recursos distribuidos" [8]. En el Apndice A se proporciona mayor informacin acerca de la generacin distribuida. En la actualidad el grueso de la produccin de energa elctrica se realiza en grandes centrales (150-1000MW) con el objeto de alejar generacin de la demanda, reducir costos de operacin, mantenimiento, etc. Generalmente las grandes unidades generadoras son centrales termoelctricas, hidroelctricas, unidades de ciclo combinado, nucleoelctricas, geotermoelctricas, grandes parques elicos. En esta tesis la generacin elica se conecta como una planta convencional y la generacin solar se conecta en forma de generacin distribuida. La forma de interconectarse para grandes parques elicos debe seguir las normas de conexin de la generacin convencional, sin embargo para la generacin distribuida se han creado estndares de interconexin. De estos temas se hablar en las secciones 4.4 y 4.6. 2.2 FUENTES RENOVABLES DE ENERGA Las fuentes de energa renovable juegan un papel cada vez ms importante en los sistemas elctricos, y en particular la energa elica, que es la tecnologa que mayor peso tiene en el crecimiento actual en Europa y en el futuro de la generacin a partir de este tipo de fuentes, apoyados por los avances tecnolgicos y mejoras econmicas de las turbinas elicas. De acuerdo con algunas estimaciones se prev que la capacidad de generacin elica instalada llegue a representar el 18% del total mundial y en Europa se cuente con 180,000 MW en 2020 [9]. En Mxico, de acuerdo al programa del gobierno federal, derivado de la Ley para el Aprovechamiento de las Energas Renovables y el Financiamiento para la Transicin Energtica para el 2012 se espera que el 4% de la demanda sea atendida por este tipo de generacin, aprovechando todos los beneficios emanados por la mencionada ley, como son por ejemplo los recursos provenientes de de las Certificaciones de Reduccin de Emisiones, entre otros [9]. Las energas renovables son aquellas cuya fuente reside en fenmenos de la naturaleza, procesos o materiales susceptibles de ser transformados en energa aprovechable por la


9

humanidad, y que se regeneran naturalmente, por lo que se encuentran disponibles de forma continua continua o peridica, y que se enumeran a continuacin [10]:

El viento La radiacin solar, en todas sus formas El movimiento del agua en cauces naturales o artificiales La energa ocenica en sus distintas formas, a saber maremotriz, maremotrmica, de

las olas, de las corrientes marinas y del gradiente de concentracin de sal El calor de los yacimientos geotrmicos Los bioenergticos

Cambio climtico En los ltimos aos el fenmeno llamado calentamiento global (fig. 2.2) ha sido asociado al incremento de los gases de efecto invernadero emitidos durante el uso de los combustibles fsiles, sin embargo otros fenmenos como la lluvia cida, el incremento de la densidad de los aerosoles y los niveles de ozono en reas con altas densidades de poblacin, el dao a sistemas tanto en el mar como en tierra, la prdida de vidas humanas en accidentes, etc. estn tambin relacionados con procesos de generacin de energa [11]. Debido al calentamiento global y a que los recursos de combustibles fsiles son limitados y algn da se agotarn, es importante tomar en cuenta a las fuentes renovables de energa como una opcin seria para ayudar a resolver este problema y al mismo tiempo proporcionar beneficios a la red del Sistema Elctrico y a los usuarios. Es importante considerar las energas renovables para el desarrollo del pas puesto que implican:

Menor dependencia de los combustibles fsiles, que han tenido un incremento notable en sus precios durante la ltima dcada, y por lo tanto mayor soberana energtica.

Mayor diversidad energtica. Disminucin en las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2, NOx, CH4, O3,

CFC). Mejor aprovechamiento de los recursos naturales con el uso de recursos limpios e

inagotables. Impulso al desarrollo tecnolgico. Ofrece importantes ventajas sociales en el aspecto de creacin de puestos de trabajo,

impulsando las economas locales. Slo se requiere un mantenimiento mnimo para garantizar el funcionamiento del

sistema.


10

Figura 2.2. Calentamiento Global [11]

En la figura 2.3 se muestra el crecimiento que han tenido las fuentes renovables de energa. Se observa que la energa solar fotovoltaica conectada a la red es la que mayor crecimiento tienes ya que existe un gran potencial para su desarrollo debido a que utiliza al sol como fuente primaria de energa, es por eso que este tipo de energa se considera para este trabajo de tesis. Tambin la energa elica presenta un crecimiento importante.

Figura 2.3. Tasa de crecimiento anual promedio de las fuentes renovables de energa 2002 2006. [12]

En la tabla 2.1 se muestra la capacidad existente de energas renovables en el mundo. En el Apndice A se habla ms a detalle sobre la situacin mundial y en Mxico.


11

Tabla 2.1. Desarrollo de las energas renovables en el mundo [12][13]

Aplicaciones Fuentes/tecnologas CapacidadAgregadaen2008[GW]

Capacidadexistenteafinalesde2008[GW]

Electricidad

Eoloelctrica 27 121

Solarfotovoltaicaenred 5.4 13

Concentracinsolar 0.06 0.5

Grandeshidroelctricas 2530 860

Pequeashidroelctricas 68 85

Bioenerga 2 52

Geotermoelctrica 0.4 10

CalorCalentadoressolaresdeagua 19 145

Bionenerga n/d 250

Geotermia n/d 50

CombustibleslquidosBioetanol 17 67

Biodiesel 3 12Nota: n/d = no disponible La seguridad en el abastecimiento energtico, la diversificacin del suministro de energa, la proteccin al medio ambiente, as como la cohesin econmica y social, han sido las principales razones por las cuales la promocin del aprovechamiento de las energas renovables, as como la eficiencia energtica, son prioritarias en el mundo actual y han detonado el desarrollo y establecimiento de lineamientos para una menor dependencia de los hidrocarburos [13]. Por su parte las clasificaciones tpicas de voltajes en los nodos de un sistema son como se muestra a continuacin [14]:

Distribucin: 34.5 kV y menores Subtransmisin: 34.5 138 kV Transmisin: 115 kV y mayores

La generacin distribuida estar localizada generalmente en los niveles iguales o menores a 34.5 kV y puede ser de cualquier tecnologa (gas, diesel, minihidro, solar, aire) [2]. En las lneas en general se puede afirmar que la red de transmisin garantiza la estabilidad y seguridad del sistema en tanto que la red de distribucin garantiza la calidad del servicio que perciben los clientes. Ms del 90% de los cortes que experimentan los clientes o consumidores finales se deben a la red de distribucin, lo cual es lgico, el ser stas redes menos malladas que la red de transmisin y al estar conectados la mayora de los clientes a ellas. La necesidad para un cambio en la forma de los sistemas de distribucin debe estar apoyada en nuevos criterios de planeacin, de diseo, de operacin y de administracin que conduzcan a un servicio ptimo y econmico a los consumidores de electricidad [2].


12

2.2.1 Generacin elica y solar Los tipos de tecnologas que se describirn a continuacin son:

Energa Elica Energa Solar

Ya que son las que se utilizarn en este trabajo. En el apndice A se describen otros tipos de fuentes renovables de energa como son:

Mini Hidrulica Celdas de Combustible Biomasa Energa Geotrmica Energa Mareomotriz

2.2.1.1 Energa Elica Las turbinas de viento (figura 2.4) convierten la energa cintica en electricidad. Estas turbinas se agrupan en grandes parques elicos, que producen energa para la red elctrica. Ya que el viento es un recurso renovable, la energa generada a partir de las turbinas de viento es considerada energa renovable [15].

Figura 2.4. Turbinas elicas [16]

Los tres principales componentes para la conversin de energa en una turbina elica son el rotor, la caja multiplicadora y el generador. En la figura 2.5 se ilustran los componentes principales de una turbina elica. El rotor, que es donde se localizan las aspas, convierte la energa fluctuante del viento en energa mecnica y es por lo tanto el componente principal del sistema de conversin [17].

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14

viento no es un recurso base y no puede satisfacer una gran cantidad de la demanda de energa [15]. Este y otros problemas se detallarn en las secciones siguientes. Actualmente las turbinas elicas ms grandes que existen en el mundo miden ms de 150 m de alto y tienen una capacidad de hasta 5 MW [15]. En la figura 2.6 se puede observar cmo se ha desarrollado el crecimiento de la energa elica en el mundo que en los ltimos aos he presentado un incremento muy importante por lo cual se hace necesario realizar estudios al respecto de esta tecnologa.

Figura 2.6. Crecimiento real de eoloelctrica instalada en el mundo [19]

2.2.1.2 Energa Solar Hay dos formas de convertir la energa contenida en la luz solar en electricidad [20]: la primera se conoce como generacin trmica solar, que consiste en usar al sol como una fuente de calor, ste es capturado, concentrado y usado para accionar una turbina de vapor, en cuyo caso el calor se usa para producir vapor. La segunda forma de captura de la energa solar y su conversin a energa elctrica, involucra el uso de celdas solares o fotovoltaicas. La celda solar es un dispositivo de estado slido, como un transistor o microchip que usa las caractersticas fsicas de un semiconductor como el silicio, para transformar directamente la luz solar en electricidad. Cualquiera que sea su tipo, una central solar tiene su mayor debilidad en que slo genera electricidad cuando el sol est brillando, pero durante las noches que no hay luz solar, tampoco hay electricidad. Para superar este problema, una planta solar del tipo termodinmico convencional, debe tener alguna forma de respaldo con tecnologa convencional o incorporar almacenamiento de energa [20].


15

2.2.1.2.1 Energa Solar Trmica Esta tecnologa est en desarrollo pero constituye una alternativa interesante. El concepto bsico de esta tecnologa es que el calor conseguido por la concentracin de radiacin solar es usado para calentar un fluido y luego producir vapor apto para su empleo en una turbina de vapor convencional. Generalmente, los fluidos que se emplean son sales fundidas ya que permiten una mayor temperatura de operacin [8]. Existen bsicamente tres esquemas de generacin de electricidad con la energa solar trmica:

Colectores cilindro-parablicos: En este esquema (ver figura 2.7 y 2.8) se emplean espejos cilindro-parablicos para concentrar la radiacin solar en un tubo localizado a lo largo del foco del colector. El tubo contiene el fluido a calentar y puede llegar a alcanzar temperaturas cercanas a los 400C [8].

Figura 2.7. Colector cilindro parablico [21] Figura 2.8. Tecnologa del colector cilindro -

parablico [22]

El fluido que se calienta es llevado a los intercambiadores de calor para producir vapor y operar una turbina. A estos sistemas se les provee de un mecanismo de movimiento que permite el seguimiento del sol para mejorar la eficiencia. Este movimiento puede ser en un slo eje (vertical u horizontal) o en ambos [8].

Torre central o helistatos: La torre solar concentra el calor para utilizarlo en una instalacin centralizada la cual incluye un gran receptor de energa solar y colector de calor, el cual se fija en la parte superior de una torre. La torre se localiza en el centro de un campo de espejos especiales llamados heliostatos, cada uno de los cuales debe ser capaz de orientarse al sol en forma independiente, de manera que la luz incidente permanezca directamente sobre el receptor solar. Un campo helistato puede ser muy grande, lo suficiente como para generar varios cientos de magawatts de electricidad [20].


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Figura 2.9. Torre central [23] Figura 2.10. Tecnologa de torre central [22] En la parte superior de la torre solar se encuentra un receptor solar que contiene tubos a travs de los cuales fluye un fluido que lo transfiere, este tiene la capacidad de absorcin del calor de todo el campo helistato, una vez que se ha calentado (a unos 560C), el fluido es bombeado al cambiador de calor en donde el calor se usa para generar vapor a la turbina de vapor [20].

Discos parablicos: El plato solar es ms parecido a un espejo parablico (ver figura 2.11 y 2.12), en el centro del mismo est colocado un pequeo colector de calor y generador de electricidad. El reflector se alinea al sol y enfoca su energa en un colector [20] que contiene un fluido que se calienta a unos 750C y puede ser empleado para producir vapor.

Figura 2.11. Discos parablicos [24] Figura 2.12. Tecnologa de discos parablicos [22] A diferencia de las dos tecnologas anteriores que se han desarrollado para generacin a gran escala en las empresas elctricas, el disco solar es de pequea escala relativamente, los dimetros son entre 5 y 15 m y las potencias de salida de 5 a 50 kW. El disco solar representa la tecnologa ms eficiente de todas las tecnologas trmicas solares, la eficiencia


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registrada es del orden del 30%, pero pueden alcanzar valores hasta del 40%. Su uso principal es para la generacin remota aislada, donde su alta eficiencia y confiabilidad puede ser competitiva con respecto a las celdas solares [20].

2.2.1.2.2 Energa solar fotovoltaica En 1839 el fsico francs Edmund Bequerel descubri que ciertos materiales producen pequeas corrientes elctricas cuando son expuestos a la luz. Estos materiales son semiconductores. La tecnologa fotovoltaica usa celdas semiconductoras, generalmente de varios centmetros de tamao [25].

Figura 2.13. Tecnologa de celda fotovoltaica [26]

La figura 2.13 intenta ilustrar el proceso de obtencin de energa: la celda fotovoltaica se compone fundamentalmente de dos capas de silicio (silicona tipo P y tipo N), capas separadas entre s por una sustancia semiconductora. Al incidir los fotones en la lmina primera (P), se liberan electrones del silicio, que son lanzados a travs del filtro semiconductor, que permite que atraviesen en una nica direccin (no pueden regresar). Entonces, la capa N adquiere una polarizacin diferente de la P, y mediante un conductor elctrico externo, vuelven a la capa P cerrando el crculo de corriente y perpetuando el proceso [26].

Un mdulo est formado de varias celdas con el fin de generar la potencia requerida. A diferencia de una turbina elica, la instalacin de los paneles fotovoltaicos es esttica, no necesita torres grandes y fuertes, no produce vibracin ni ruido y no necesita enfriamiento activo [25]. La celda solar es tpicamente de unas cuantas pulgadas cuadradas de tamao y produce aproximadamente 1 W de potencia. Para obtener mayor potencia, numerosas celdas de ese tipo son conectadas en circuitos serie y paralelo en un panel (mdulo) de varias pulgadas cuadradas. El arreglo solar o panel est definido como un grupo de varios mdulos


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elctricamente conectados en una combinacin serie-paralelo para generar la corriente y el voltaje requeridos [25].

Figura 2.14. Panel solar [27]

Para la realizacin de las celdas, el material actualmente ms utilizado es el silicio utilizado tambin por la industria electrnica y cuyo proceso de fabricacin presenta costos muy altos, no justificados por el grado de pureza requerido para la energa fotovoltaica, que son inferiores a los necesarios en electrnica [28]. Otros materiales para la realizacin de las clulas solares son [28]:

Silicio Mono-cristalino: de rendimiento energtico hasta 15-17%; Silicio Poli-cristalino: de rendimiento energtico hasta 12-14 %; Silicio Amorfo: con rendimiento energtico menor del 10 %; Otros materiales: Arseniuro de galio, diseleniuro de indio y cobre, telurio de

cadmio. Actualmente, el material ms utilizado es el silicio mono-cristalino que presenta prestaciones y duracin en el tiempo superiores a cualquier otro material utilizado para el mismo fin [28]. El mdulo fotovoltaico es una estructura robusta y manejable sobre la que se colocan las clulas fotovoltaicas. Los mdulos pueden tener diferentes tamaos (los ms utilizados tienen superficies que van de los 0.5 m2 a los 1.3 m2) y constan normalmente de 36 celdas conectadas elctricamente en serie. Los mdulos formados tienen una potencia que vara entre los 50 W y los 150 W, segn el tipo y la eficiencia de las clulas que lo componen [29]. Las caractersticas elctricas principales de un mdulo fotovoltaico se pueden resumir en las siguientes [28]:

Potencia de Pico (Pp): potencia suministrada por el mdulo en condiciones estndar STC (Radiacin solar = 1000 W/m2; Temperatura = 25 C; Masa de aire = 1.5).

Corriente nominal (A): corriente suministrada por el mdulo en el punto de trabajo.


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Tensin nominal (V): tensin de trabajo del mdulo. Los paneles fotovoltaicos estn ampliamente disponibles para usos tanto comercial como domstico. Los paneles son de menos de 5 kW y las unidades pueden ser combinadas para formar un sistema de cualquier tamao. No producen emisiones, y requieren mantenimiento mnimo. Sin embargo pueden ser bastante costosos. Se requieren componentes menos caros y avances en el proceso de manufactura para eliminar las barreras econmicas impidiendo ahora el amplio uso de los sistemas de paneles fotovoltaicos. Los fotovoltaicos estn actualmente siendo usados principalmente en localidades remotas sin conexin a la red y tambin para generar energa verde [29]. Sin embargo, el impacto ambiental de la energa fotovoltaica no puede considerarse nulo. Algunos de los problemas y los tipos de impactos ambientales que pueden influir de forma negativa en la percepcin de las instalaciones fotovoltaicas por parte de la ciudadana son los siguientes [30]:

La contaminacin que produce el proceso productivo de los componentes. La utilizacin del territorio. El impacto visual. El impacto sobre la flora y la fauna.

La principal limitante para el uso extensivo de esta tecnologa son sus altos costos. Debido a que muchas de las tecnologas de FV actuales usan un material cristalino semiconductor similar a aqul de los chips de circuitos integrados, los costos de produccin han sido altos. En la figura 2.15 se muestra cmo han ido decreciendo los costos de los sistemas fotovoltaicos.

Figura 2.15. Precios de mdulos y sistemas fotovoltaicos en pases OCED 1996 2006 [32]


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Sin embargo, entre 1980 y 2004, el costo capital de los mdulos FV por Watt de capacidad de potencia decreci de ms de $20 (USD) por watt a menos de $4 (USD) por watt. Durante el mismo periodo (1980 -2004), el costo de la energa decreci de cerca de $1 (USD) a cerca de 20 centavos por kWh [29] y actualmente, en el ao 2010, China ha logrado costos de produccin de 15 centavos por kWh [31].

Figura 2.16. Desglose de costos de componentes de sistemas fotovoltaicos [25]

Los costos tpicos de los componentes son 60 al 70% en los mdulos fotovoltaicos, del 10 al 15% en los inversores, 10% en otras partes y 10% en mano de obra [25] como se ven la figura 2.16. 2.2.2 Estado actual en Mxico y el mundo por tipo de energa

Energa elica

La energa elica se ha desarrollado a pasos acelerados en el Mundo durante los ltimos aos. En el ao 2008, la capacidad instalada mundial lleg a los 120,800 MW. En Mxico existen en la actualidad 170 MW de capacidad elica en operacin que se dividen en [33]: 85 MW en los proyectos La Venta I y La Venta II operados por la CFE en el Istmo

de Tehuantepec. 80 MW en el proyecto de autoabastecimiento Parques Ecolgicos de Mxico, que

entr gradualmente en operacin desde enero del 2009. 0.6 MW en una turbina de la CFE en Guerrero Negro, Baja California Sur. 2 MW en pequeos aerogeneradores en sitios aislados de la red. 3 MW en pequeas aerobombas (turbinas elicas que impulsan bombas

hidrulicas). Alemania es el pas que mayor capacidad elica instalada tiene con 22 000 MW (ao 2007), seguido de la India, sin embargo ambos pases decrecieron en el nmero de nuevas instalaciones y se espera que pronto EUA los supere. El viento genera menos del 1% de la electricidad de EUA se espera que para 2030 llegue al 2.36%. Europa es el continente que


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mayor capacidad instalada tiene y China es el pas que presenta un mayor incremento de potencia instalada [15].

Energa solar fotovoltaica

En el Mundo existe una capacidad instalada fotovoltaica de 13 GW en conexin con la red elctrica, y de aproximadamente 2.7 GW fuera de red. La capacidad de concentracin solar, por su lado, alcanza los 0.5 GW de capacidad. En Mxico, prcticamente todos los sistemas fotovoltaicos se encuentran en comunidades rurales aisladas de la red elctrica, y muchos de ellos fueron instalados por medio de programas gubernamentales de electrificacin rural. Se estima que la capacidad total de estas instalaciones es de 18.5 MW y que generan en promedio 0.032 TJ/ao [5]. La irradiacin solar global en Mxico es en promedio de 5 kWh/da/m una de las ms altas del mundo, mayor aun a la de la pennsula ibrica, actualmente la mayor productora mundial de energa solar, pero en algunas regiones del pas se llega a valores de 6 kWh/da/m. Suponiendo una eficiencia del 15%, bastara un cuadrado de 25 km de lado en el desierto de Sonora o Chihuahua para generar toda la energa elctrica que requiere hoy en da el pas. Por ello, el potencial tcnico se puede considerar prcticamente infinito [5]. Alemania cuenta con una capacidad instalada de 5400 MW y Espaa de 3500 MW, seguidos de Japn y Estados Unidos. (EPIA) En la figura 2.17 se muestra el crecimiento de la capacidad instalada de energa fotovoltaica fuera de la red y conectada a la red hasta el ao 2007. La SENER informa que para 2013 el gobierno federal planea llegar a generar 25 MW por hora con tecnologa fotovoltaica y 14,000 MW/hora al ao.

Figura 2.17. Capacidad mundial instalada de paneles fotovoltaicos 1995 2007 [12]

Solar trmica

A finales del 2007 haba en el Mundo una superficie instalada de aproximadamente 208 millones de metros cuadrados de calentadores solares de agua, de los cuales correspondan a Mxico un milln de m. Con una generacin anual de calor per cpita de 41 MJ, nuestro


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pas se encuentra rezagado en esta materia en comparacin de pases como Brasil (con 380 MJ), China (con 1,600 MJ) o Israel (con 17,000 MJ) per cpita por ao [34]. La figura 2.18 siguiente muestra cmo es y cmo se espera que sea la generacin mundial de energa por tipo de combustible.

Figura 2.18. Capacidad instalada de energa PV 1992 2006. [35]

A finales del 2005 la energa primaria producida en Mxico tuvo como origen el petrleo con 59.7%, el gas natural con 30.3%, la hidroelectricidad con 4.3%, el carbn con 4.1% y la nucleoelectricidad con 1.6%. En la figura 2.19 se muestra la electricidad generada en Mxico por tipo de combustible para el ao 2008 [36].

Figura 2.19. Electricidad generada en Mxico por tipo de combustible [35]


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El tipo de energa instalado que ms haba venido creciendo es la elica, sin embargo ha presentado una desaceleracin en su crecimiento y la que ms ha mostrado avances actualmente es la energa solar fotovoltaica.

Figura 2.20. Crecimiento mundial esperado por tipo de energa [19]

Se espera que en los prximos aos se de un incremento importante en la instalacin de energa solar fotovoltaica en el mundo (ver figura 2.20), as como que siga el incremento de la energa elica y de la biomasa que es uno de los recursos que ha comenzado a ganar importancia como fuente de energa. En Mxico existen varios problemas para la instalacin de fuentes renovables de energa. Actualmente son mnimas las instalaciones interconectadas, no hay normas de interconexin, no existen incentivos para su instalacin, no hay fabricantes nacionales, no hay normalizacin de equipos Se necesitan planes gubernamentales que desarrollen el reconocimiento jurdico de la GD, que se desarrollen especificaciones normalizadas, tambin normas de equipos y mecanismos, que existan planes de difusin y capacitacin para la gente en general y para los fabricantes de equipo [37]. Actualmente en Mxico las aplicaciones y las oportunidades que se tienen son en electrificacin rural (iluminacin, bombeo de agua), abastecimiento a servicios municipales, autoabastecimiento, soporte a la red y de ecoturismo [37]. Muchos reportes y estudios predicen que el mercado para las tecnologas de fuentes renovables continuar creciendo conforme su precio y su funcionamiento mejore y se desregulen los mercados de energa. En el Apndice A se da una descripcin del marco normativo en Mxico


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2.2.3 Ventajas y desventajas La principal ventaja del uso de energa solar y elica es que son energas limpias y renovables, hay diversos problemas que hay que resolver antes de llevar a cabo su instalacin a gran escala pero conforme crece su popularidad los costos de estas tecnologas se decrementan y debido a la amplia disponibilidad del sol y del viento en algunas zonas, se hace necesario realizar mayores estudios para determinar la factibilidad de la instalaciones de este tipo y planear estrategias operativas para superar los problemas que puedan generar. En el apndice A se presentan las ventajas y desventajas del uso de estas tecnologas especficamente en redes de distribucin, aqu se presentan en forma general. Ventajas:

Uso de energas limpias. Aplicacin para instalaciones remotas. Menores costos probables de la energa elctrica. Autoabastecimiento. Soberana energtica. Ecoturismo.

Desventajas:

Incremento de las corrientes de cortocircuito en la red. Impacto en calidad de potencia. El alto costo de la tecnologa. Costos hundidos. Se requiere generacin de reserva. Puede dificultar operacin del sistema. Requiere mayor monitoreo y control. Puede ocasionar problemas de estabilidad. Desfase entre la produccin y la demanda. Variabilidad de la produccin y dificultad para predecirla.

Las redes elctricas existentes no estn diseadas o configuradas como para soportar la integracin de gran cantidad de energas renovables, entonces el criterio y las reglas para la operacin de los sistemas elctricos se deben modificar. Existen tambin algunas barreras para su aplicacin [37] como son:

Desconocimiento de su potencial. Percepcin de riesgos tecnolgicos. Mercado energtico desfavorable. Marco legislativo inexistente. Marco institucional limitado. Los altos costos de inversin, si se compara con otro tipo de tecnologas, siguen

siendo la mayor barrera para la inclusin de energas renovables.


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Es muy importante saber si la poblacin del lugar est de acuerdo con el tipo de tecnologa a instalarse e involucrarlos en el proyecto ya que ellos sern los principales beneficiarios y/o afectados dependiendo del tipo de tecnologa empleada y los que tendrn en dado caso qu dar mantenimiento a las instalaciones. Como la energa solar y la elica son recursos intermitentes, ser necesario respaldar una porcin de energa elica y solar con un recurso firme, tal como la generacin con gas natural.

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3 ELEMENTOS PARA LA DETERMINACIN DE CAPTULO POTENCIA DE GENERACIN ELCTRICA 3.0 METODOLOGAS 3.1 INTRODUCCIN En este captulo se describen puntos imp

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TESIS - Bienvenidossepielectrica.esimez.ipn.mx/tesise/2010/impactopamela.pdf · The DIgSILENT PowerFactory software version 14.0.514 was used to perform the simulations. This software