Contribución al aseguramiento de la calidad en la electrificación rural con energías renovables

Resumen

La falta de acceso a la energía eléctrica supone un freno para el desarrollo de 1400 millones de personas en las áreas rurales de los países en vías de desarrollo. La generación distribuida mediante sistemas basados en energías renovables representa, en la actualidad, la alternativa óptima para proveer de electricidad estas regiones y alcanzar un acceso universal al servicio eléctrico. Las principales tecnologías de interés son los sistemas fotovoltaicos, la minieólica y la minihidráulica así como la combinación de varias de estas tecnologías en sistemas híbridos. A pesar de que el desarrollo de las tecnologías renovables se encuentra en una fase de madurez, su implementación en este contexto está fuertemente ligada a las características de los mercados rurales y dispersos. La extensión a gran escala de los sistemas se encuentra con barreras de carácter legal y financiero (la regulación del sector y la implementación de mecanismos de financiación apropiados son dos aspectos fundamentales para superarlas); pero también con limitaciones de carácter técnico (falta de normativa técnica aplicable, escasez de laboratorios de certificación locales, falta de capacidad técnica local). La realidad muestra que la calidad de las instalaciones aisladas es, en general, menor de lo estipulado durante la fase planificación; con hasta una tercera parte de sistemas inoperativos durante los dos primeros años de funcionamiento y serias dificultades para la sostenibilidad del servicio eléctrico a largo plazo. Las causas están relacionadas en parte con la carencia de mecanismos para asegurar un control de calidad adecuado desde el diseño de los sistemas hasta la evaluación de los mismos. A partir del análisis del estado del arte de los sistemas autónomos de energías renovables en la electrificación rural y de la normativa del sector; en esta tesis se realizan propuestas, focalizadas en los sistemas de tecnología solar fotovoltaica, y dirigidas a las distintas fases del proceso de control de calidad. Para la fase de ensayo de componentes en laboratorio, se estudia el funcionamiento de los controladores de carga con seguimiento del punto de máxima potencia. Junto con el análisis de resultados de medidas de cuatro controladores comerciales a lo largo de un año de operación, se definen los requisitos y procedimientos de caracterización para estos componentes. Para las fases de operación y mantenimiento, se presentan recomendaciones para los protocolos de monitorización y se desarrolla un modelo de evaluación de campo de sistemas uno de cuyos ejes fundamentales es la calidad técnica de los componentes e instalaciones. Estos procedimientos se han validado en terreno en diversas intervenciones: dos proyectos piloto ejecutados por la cooperación internacional española y tres programas nacionales de electrificación rural con un componente de gran escala de sistemas fotovoltaicos domiciliarios. Para cada caso de estudio se presentan y analizan los resultados obtenidos. Esta investigación ha contribuido al desarrollo y validación de procedimientos de control de calidad para la implementación de sistemas autónomos, principalmente con tecnología fotovoltaica, con el criterio de que estén disponibles y sean verificables a nivel local. Las conclusiones y recomendaciones de los casos analizados pueden ser de utilidad para la mejora de la calidad del servicio eléctrico en los programas de electrificación rural. There are presently 1400 million people living with no access to electricity in the rural areas of developing countries. This represents a major shortcoming to reach a sustainable development. The distributed generation by means of renewable energy systems is currently the optimum alternative to provide electricity to these areas and it would allow for reaching the universal access to electrical service. The main technologies are photovoltaic systems, small wind turbines, mini-hydraulics and combination of these sources in hybrid systems. The renewable technology systems for isolated generation have attained a mature stage of development. However, in the context of rural electrification, there is a strong link between their implementation and the inherent characteristics of the rural and disperse markets. The large scale spreading of these systems has to deal with legal and financial barriers (sector regulation and the implementation of appropriated financial mechanisms are essential to break down these barriers); and also with technical barriers (such as lack of technical standards, shortage of local certification laboratories, lack of local technical capacity). In general, the quality of the installations in the field is lower than planned during design phase: up to one third of the systems does not work properly after the first two years of operation and serious difficulties are found in the long term sustainability of the electrical service provision at appropriate quality levels. This is partially due to the lack of mechanisms to assure the quality control from the design of the systems to their evaluation. From the review of the State-of-the-Art of the renewable energy technologies for rural electrification and the approved standards, in this thesis several proposals focused in photovoltaic solar energy and aimed to the different stages of the quality control process are included. For the stage of test components in laboratory, the performance of maximum power point tracking charge controllers is studied. Within the analysis of the results of measurement of four commercial controllers along one year in operation, the requirements and test procedures for the characterization of these components are provided. For the stages of operation and maintenance, this thesis includes recommendations to the monitoring protocols and the definition of a field evaluation model, with technical quality of components and installations as main axis. These procedures have been validated in several field interventions: two pilot projects executed by the Spanish international cooperation and three national rural electrification programs with a large scale component of solar home systems. Results obtained for each case study are presented and analyzed. This research has contributed to the development and validation of quality control procedures for the implementation of stand-alone systems, mainly with photovoltaic technology, with the criteria to be available and reproducible at a local level. Conclusions and recommendations of analyzed cases can be useful to assure the improvement in the quality of electrical service in rural electrification programs.