Más allá del diésel: respaldo híbrido de energía solar y batería en sitios africanos fuera de la red

Artículo

8 de octubre de 2019

Los sitios fuera de la red en el norte de Nigeria, Níger, Malí, Burkina Faso, Etiopía y Turkana funcionan con diésel, y el costo del combustible, el transporte y el robo consumen gran parte del OPEX. Este artículo cubre las tres topologías y cuándo se aplica cada una, la duración real de la batería en ciclos diarios, la variable de polvo subestimada y una fórmula de recuperación con cuatro entradas que puede medir en el sitio.

Un día en un sitio fuera de la red

En Kano y Kaduna, en el norte de Nigeria, en las zonas rurales de Níger, Malí y Burkina Faso, en las tierras altas de Etiopía, en la árida región de Turkana en Kenia y en las provincias periféricas de Zambia, un día típico transcurre así: el generador diésel arranca antes del anochecer y funciona hasta la noche con una carga de aproximadamente 1 a 3 kW; se apaga durante la noche y la batería lleva banda base y transmisión; Durante el día, la batería continúa transportando el sitio hasta la noche, cargándose solo si aparece energía de la red durante unas horas. El problema no es el generador en sí, sino tres costos ocultos: el transporte de combustible al sitio, que cuando se necesita transporte en motocicleta o camello puede exceder el doble del precio en surtidor; el robo de combustible, que en algunas zonas representa entre el 10% y el 30% del volumen comprado; y mantenimiento y revisión amortizados por hora de funcionamiento. El propósito de la energía solar no es ambiental: es eliminar la carga diurna del generador y reducir los tres costos directamente.

Elegir entre tres topologías

El híbrido solar no es un diseño sino tres, y elegir mal duplica la rentabilidad. El primero es energía solar más batería más diésel de reserva, también llamado prioridad solar: la energía fotovoltaica sirve para cargar y cargar la batería durante el día, se reduce una vez que la batería está llena y el diésel arranca solo después de un período prolongado de cielo nublado o de agotamiento de la batería. Minimiza las horas de funcionamiento del generador y se adapta a sitios con buena irradiancia anual y carga concentrada durante el día, la opción más común en el África subsahariana. El segundo es el diésel primario con asistencia solar, donde la energía fotovoltaica transporta solo una parte de la carga, normalmente entre el 30% y el 50%, y el generador funciona como antes con un menor consumo de combustible. Es el más sencillo de modernizar y el más económico en capital, y se adapta a cargas o sitios más grandes con un generador relativamente nuevo. El tercero es energía solar pura más batería sin ningún generador, viable solo cuando la carga es inferior a 500 W y tres días de riesgo de cielo nublado son aceptables. El factor decisivo entre los tres no es el recurso de irradiancia, sino qué tan bien se superpone la curva de carga a la curva solar: una superposición alta favorece la primera, la superposición baja hace que la segunda sea más segura.

Duración real de la batería en ciclos diarios

En un híbrido solar, la batería completa un ciclo completo todos los días, lo que no se parece en nada al modo de espera flotante y es donde muchos proyectos fracasan: especifican una batería flotante y la reemplazan en dos años. La selección depende de tres cifras, no de la capacidad nominal. En primer lugar, el ciclo de vida, y específicamente el ciclo de vida a una profundidad de descarga determinada; Los sistemas solares normalmente funcionan entre un 50% y un 70% de DOD, así que solicite datos en esa banda. En segundo lugar, la aceptación de la carga: la potencia de carga fotovoltaica varía con la irradiancia, la corriente es baja por la mañana y al final de la tarde, y si la batería puede absorber eficazmente a baja corriente determina la recuperación de energía diaria. La serie de plomo-carbono (LLC, 300–1000 Ah, seis modelos) ofrece de cuatro a cinco veces el ciclo de vida del producto convencional en servicio PSoC con aproximadamente un 30 % mejor aceptación de carga, y está diseñada exactamente para esto. En tercer lugar, el comportamiento a altas temperaturas: las temperaturas del gabinete superiores a 40 °C son habituales en África, por lo que el ciclo de vida debe corregirse según la temperatura. La serie de ciclo profundo (FTC, 100–170 Ah, 1500 ciclos o más) también es una buena opción para capacidades pequeñas y medianas.

Polvo: la variable subestimada

En todo el Sahel y la árida África Oriental, el polvo está muy subestimado. En primer lugar, la suciedad: cada capa de polvo sobre el vidrio reduce la transmitancia en varios puntos porcentuales y, después de una tormenta de polvo, el conjunto puede quedar cubierto con una capa lo suficientemente gruesa como para reducir a la mitad la producción. En Níger, Malí y Chad, saltarse la limpieza puede costar más del 20% del rendimiento anual. En segundo lugar, térmico: el polvo en la lámina posterior impide el rechazo del calor, lo que aumenta la temperatura de la celda y la eficiencia del corte, lo que agrava la pérdida. En tercer lugar, mecánico y eléctrico: el polvo que ingresa a las cajas de conexiones y a los conectores provoca un contacto deficiente y riesgo de arco, y el polvo en las rutas de aire del inversor bloquea el enfriamiento. A continuación se presentan cuatro respuestas de diseño: aumentar la inclinación del conjunto para que el polvo se vuele o se lave más fácilmente; especificar cajas de conexiones y conectores con un índice de ingreso más alto; utilice inversores con refrigeración natural o instale filtros de polvo y agréguelos a la ruta de inspección; e incluir la limpieza en el contrato de operación y mantenimiento con una frecuencia definida (mensualmente en la temporada de polvo, trimestralmente en caso contrario) en lugar de "según sea necesario".

Calcular la recuperación

La recuperación de la inversión no necesita un modelo complejo, sólo cuatro entradas, y las cuatro se pueden medir in situ. En primer lugar, el coste anual actual del diésel: consumo medio diario en litros × 365 × precio del combustible entregado, incluido el transporte. Utilice el precio de entrega, no el precio del embarcadero. En segundo lugar, el costo del diésel posterior a la modernización: escala mediante la reducción de las horas de funcionamiento del generador, que para los diseños con prioridad solar suele ser del 20% al 40% del original. En tercer lugar, rendimiento fotovoltaico anual: capacidad del conjunto en kWp × horas de sol pico equivalentes locales × 365 × eficiencia del sistema de 0,75 a 0,8 × factor de suciedad y degradación de 0,85 a 0,9. Cuarto, inversión total que incluye módulos, montaje, controlador, batería, transporte e instalación. Recuperación = inversión ÷ (costo anual del diésel antes de la modernización − costo anual del diésel posterior a la modernización − costo de mantenimiento anual). El factor que más a menudo se exagera es el tercero: la gente utiliza las horas ideales de sol y se olvida de la suciedad y la degradación. Tome los coeficientes conservadores y la recuperación que calcule será la que realmente se puede lograr.

Dimensionamiento conjunto del conjunto y la batería

Los dos errores más comunes en el diseño híbrido solar son un conjunto y una batería de tamaño insuficiente, y normalmente ocurren juntos. El principio es tratar el período nublado como la limitación y el equilibrio energético diario como el objetivo, en tres pasos. Primero, consumo diario: carga en kW × 24 horas, calculada por separado cuando las cargas diurnas y nocturnas difieren. En segundo lugar, rendimiento fotovoltaico diario promedio: capacidad del conjunto en kWp × horas pico de sol equivalentes × eficiencia del sistema de 0,75 a 0,8 × factor de suciedad de 0,85. Ese resultado debe exceder el consumo diario, normalmente con entre un 20% y un 30% de margen para cubrir la variación estacional, la degradación del módulo y las sombras ocasionales. En tercer lugar, la capacidad de la batería: consumo diario × días nublados ÷ profundidad de descarga, con los días nublados tomados de los registros meteorológicos locales: dos o tres en el Sahel, uno más en las tierras altas de África Oriental. Después de los tres pasos, realice una verificación inversa: al final del período nublado más largo, la capacidad residual de la batería no debe caer por debajo del 20%, o los arranques del generador aumentarán notablemente y la economía del híbrido desaparecerá. Esa verificación se omite con frecuencia, pero es el único indicador concreto de si la relación es sólida. Otro detalle que a menudo se pasa por alto es la inclinación del conjunto: en regiones polvorientas, agregar de 5 a 10 grados más allá de la inclinación de generación óptima permite que el polvo se vuele más fácilmente y rinda más con el tiempo. View Telecom Backup Power Selection