Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingenierı́a
Escuela de Ingenierı́a Eléctrica
Diseño y selección de fuentes de energı́a
renovable aplicadas a microgeneradores
residenciales en DC
Por:
Octavio Sánchez Delvó
Ciudad Universitaria “Rodrigo Facio”, Costa Rica
Diciembre de 2014
Diseño y selección de fuentes de energı́a
renovable aplicadas a microgeneradores
residenciales en DC
Por:
Octavio Sánchez Delvó
IE-0499 Proyecto eléctrico
Aprobado por el Tribunal:
M.Sc. Juan Manuel Arteaga
Profesor guı́a
Ing. Julián Gutierrez
Profesor lector
Ing. Harold Steinvorth
Profesor lector
Resumen
Con el propósito de hacer realidad la posibilidad de tener viviendas con autonomı́a de generación sin perjudicar la red eléctrica en su punto de conexión,
se propone un modelo de distribución residencial interna en DC con generación de energı́a por medio de fuentes renovables. Especı́ficamente se investiga
y desarrolla el uso de las fuentes de microgeneración por medio de: paneles
solares fotovoltaicos, turbinas eólicas e hı́dricas, biodigestores de biomasa, y
generación por esfuerzo humano. Al realizar generación distribuida por medio de las fuentes de energı́as renovables, se pretende alimentar la potencia
demandada por la casa de una manera limpia y fiable. La continuidad del
suministro vendrı́a dada y se diseña por medio de fuentes de almacenamiento
como baterı́as, cuyo funcionamiento es en DC. Las baterı́as almacenan energı́a eléctrica cuando hay superávit de generación por las fuentes renovables y
entregan energı́a al sistema de potencia de la casa cuando ésta lo demande. Se
plantea además un sistema de control de distribución de potencia para tener
fiabilidad en la continuidad del suministro eléctrico. Esto se logra por medio
de comunicación entre los interruptores que le dan acceso a cada carga o fuente de generación al sistema central de potencia de la casa y conectados a una
interfaz para que el usuario pueda estar al tanto y en control del sistema de
potencia. Finalmente se dan recomendaciones acerca de la cultura de consumo
eléctrico y formas de avanzar el modelo para comercializarlo a gran escala.
v
Índice general
Índice de figuras
ix
Índice de cuadros
xi
Nomenclatura
1 Introducción
1.1 Justificación . . . . . . . . .
1.2 Objetivos . . . . . . . . . .
1.2.1 Objetivo General . .
1.2.2 Objetivos Especı́ficos
1.3 Metodologı́a . . . . . . . . .
xiii
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1
2
3
3
3
3
2 Marco teórico
2.1 Microgeneración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Sistemas de Generación Distribuida . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Automatización Distribuida . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Red Eléctrica Inteligente (Smart Grid ) . . . . . .
2.3 Energı́a solar fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Aplicación y potencial técnico en Costa Rica . .
2.3.3 Potencia por área de panel fotovoltaico instalado
2.4 Energia solar térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Aplicación: Calentador de agua solar residencial
2.5 Energia eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1 Potencia en el viento . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2 Principio de Funcionamiento . . . . . . . . . . .
2.6 Energia micro-hidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.1 Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . .
2.7 Energı́a obtenida a partir de biomasa . . . . . . . . . . .
2.7.1 Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . .
2.7.1.1 Gasificación . . . . . . . . . . . . . . .
2.7.1.2 Digestión anaeróbica . . . . . . . . . . .
2.8 Generación por esfuerzo humano . . . . . . . . . . . . .
2.8.1 Potencia y Generación . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.2 Aplicaciones modernas . . . . . . . . . . . . . . .
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2.9
Almacenamiento de Energı́a Eléctrica
2.9.1 Baterı́as de Ión-Litio . . . . . .
2.9.2 Ultracapacitores . . . . . . . .
2.9.3 Baterı́a de Metal Lı́quido . . .
2.9.4 Baterı́a AHI . . . . . . . . . . .
2.9.4.1 Construcción . . . . .
2.9.4.2 Productos . . . . . . .
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3 Análisis energético para autonomı́a
3.1 Casa con paneles solares como único recurso de microgeneración
3.2 Caso con todas las fuentes de energı́as renovables estudiadas . .
3.3 Caso con un banco de baterı́as limitado . . . . . . . . . . . . .
27
27
31
36
4 Configuración del sistema de distribución
4.1 Diseño del sistema de distribución de potencia
4.1.1 Sistema de potencia . . . . . . . . . . .
4.1.2 Control de distribución de potencia . . .
4.2 Constitución básica del usuario . . . . . . . . .
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5 Conclusiones y Recomendaciones
45
5.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2 Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Bibliografı́a
49
A Anexos
51
A.1 Código de MATLAB para análisis de carga de baterı́a . . . . . 51
A.1.1 Sólo solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
A.1.2 Todas las fuentes de generación . . . . . . . . . . . . . . 52
viii
Índice de figuras
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
3.1
Estado actual de la eficiencia de paneles fotovoltaicos [12] . . . . .
Diagrama de reacciones en el semiconductor ante la entrada de un
fotón [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mapa de Irradiación Horizontal en Costa Rica [21]. . . . . . . . . .
Diagrama de recorrido solar en San José, Costa Rica. [23]. . . . . .
Ejemplo de una planta de generación de energı́a solar térmica con
espejos parabólicos. [18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagrama principio de convección tanque calentador de agua solar
ENERTIVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Relación entre la eficiencia del rotor entre la razón de velocidad de
punta para diferentes tipos de turbinas eólicas [19] . . . . . . . . .
Diagrama interno turbinas eólicas [16] . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagrama interno turbina de generación Pelton [13] . . . . . . . . .
Configuración de una célula individual de un ultracapacitor [11] . .
Esquema funcionamiento de la baterı́a de metal lı́quido [2] . . . . .
Construcción de una baterı́a AHI [9] . . . . . . . . . . . . . . . . .
Baterı́a Lı́nea S [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Baterı́a Lı́nea M [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Baterı́a Lı́nea Industrial [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8
Diagrama de un módulo a instalar de panel solar fotovoltaico de
4kW [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Curva de potencia de una vivienda con un panel solar de 4kW . .
Diferencia entre potencia consumida y generada en la figura 3.2
con carga de la baterı́a requerida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Potencia requerida de la red eléctrica nacional por la casa en el
transcurso del dı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Curva de potencia de una vivienda con fuentes de energı́a renovable
Curva de energı́a de una vivienda con fuentes de energı́a renovable
Curva de energı́a de una vivienda con fuentes de energı́a renovable
cargando una baterı́a de carro eléctrico a partir de las 9:30PM . .
Curva de energı́a de una vivienda con fuentes de energı́a renovable
4.1
4.2
Diagrama unifilar del modelo de la casa en DC . . . . . . . . . . .
Sistema de control de seguridad de la red . . . . . . . . . . . . . .
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
ix
7
8
9
10
12
13
15
16
18
22
23
24
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26
26
28
29
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31
33
34
35
36
39
41
4.3
4.4
Diagrama de bloques con la configuración inicial para la distribución de potencia de acuerdo a lo generado y consumido. . . . . . .
Diagrama de bloques final con la configuración inicial para la distribución de potencia de acuerdo a lo generado y consumido. . . .
x
42
44
Índice de cuadros
2.1
Clasificación de Generación Hidroeléctrica de Pequeña Escala [1] .
17
4.1
Tabla de Estados para la constitución básica del usuario . . . . . .
43
xi
Nomenclatura
AC
Corriente alterna (por sus siglas en inglés).
AM
Antes de mediodı́a.
CN F L
Compañia Nacional de Fuerza y Luz.
DC
Corriente directa (por sus siglas en inglés).
ICE
Instituto Costarricense de Electricidad.
IEEE
Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (por sus
siglas en inglés).
kW
Kilovatio.
kW h
Kilovatio-hora.
Mg
Elemento quı́mico Magnesio.
M OSF ET
Semiconductor de efecto de campo (del inglés Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
PM
Pasado el medio dı́a.
Sb
Elemento quı́mico Estaño.
SI
Sistema Internacional de Unidades.
xiii
1
Introducción
Las energı́as renovables se han adoptado como una alternativa para suplir el
aumento de demanda de energı́a que se presenta globalmente y en especı́fico
en Costa Rica. De acuerdo al Plan Nacional de Energı́a del MINAET, el
consumo nacional ha incrementado continuamente triplicándose entre 1980 y
2010 (MINAET, 2010). Por esta razón, el interés en las energı́as procedentes
de recursos renovables como la energı́a eólica, solar (fotovoltaica), por biomasa
e hı́drica, se encumbra como el camino a seguir para suplir tal demanda.
La generación solar fotovoltaica es una de las tecnologı́as renovables en
mayor crecimiento en nuestro paı́s, incluso con programas impulsados por el
ICE de acuerdo a mapas de irradiación solar, con precios de fabricación de
paneles cada vez menores y capacidad de generación efectiva durante las horas de exposición solar. La energı́a eólica es por naturaleza inagotable y capaz
de funcionar a toda hora del dı́a. Mientras tanto la energı́a hidroeléctrica en
pequeña escala es inmediata en cuanto su uso; mientras exista caı́da de agua,
esta puede generar energı́a. Sin embargo todas estas fuentes de energı́a presentan un problema, que es su intermitencia. La tecnologı́a de paneles solares
únicamente produce energı́a cuando hay sol, la eólica cuando las condiciones
de viento lo permiten y la hı́drica cuando hay flujo de agua. Dependen de
diversos factores que no podemos controlar.
Es importante desde este momento hacer notar que el presente proyecto
es parte integral de un macro-proyecto, el cual tiene como objetivo proponer
la creación de un modelo de diseño eléctrico de distribución de potencia en
DC. Un modelo en el que, por medio de la generación de fuentes de energı́a
renovable transformadas en DC y almacenada como energı́a eléctrica, pueda
dar autonomı́a a la casa.
Es aquı́ donde nos presentamos de nuevo ante un conflicto centenario en el
que Thomas Edison perdió su batalla particular por la transmisión de energı́a
estándar con corriente directa, ante la energı́a en corriente alterna impulsada
por Nikola Tesla. Este acontecimiento en la historia ha marcado la forma
en que se genera y transmite la energı́a en la mayorı́a del mundo desde ese
momento. Sin embargo hoy, un siglo después de tales hechos, al considerar el
crecimiento del consumo en aparatos digitales e iluminación LED, además de
la manera de generación por medio de energı́as renovables, nos planteamos de
nuevo en esta época la necesidad de convertir la energı́a a AC.
Esta situación actual aunada a la oportunidad de investigar nuevas tecnologı́as de generación de la energı́a y sus métodos de almacenamiento, le da
1
2
1 Introducción
sentido a este proyecto. Al considerar el problema de la intermitencia de las
energı́as solar, eólica e hı́drica, el proyecto propone trabajar también con una
nueva manera de generación de energı́a, como lo es la propulsión humana por
medio de esfuerzo. De esta forma, se considera una bicicleta como un método
para entregar más energı́a a la red de la vivienda inmediatamente en DC.
En el tema de almacenamiento de la energı́a existe gran cantidad de fuentes
bibliográficas y publicaciones actualizadas. Empezando desde la tecnologı́a de
baterı́as de Litio utilizada en los más novedosos carros eléctricos hasta los
ultracapacitores, se tiene como visión darle una autonomı́a a la vivienda para
almacenar la energı́a generada en el corto y mediano plazo.
Por tanto, ante tan amplia gama de oportunidad para generar energı́a
en DC, y posteriormente almacenarla y/o alimentar las cargas tı́picas de una
vivienda en DC, es importante el diseño de estas fuentes y formas de almacenamiento. Este documento recopila la información y entrega una guı́a en cuanto
a la tecnologı́a más actualizada, brinda el diseño de un sistema inteligente de
generación distribuida por medio de las fuentes de energı́a renovable y finalmente establece una proyección de generación y necesidad de almacenamiento
para una vivienda tı́pica de acuerdo a su consumo.
1.1
Justificación
El crear algo novedoso está en el espı́ritu de cualquier ingeniero, por tanto al
explorar el campo de acción que existe en el ámbito local y la oportunidad de
convertir una idea en una realidad, se decide formar y establecer el presente
proyecto. Este trabajo se desarrolla como parte de una idea conjunta entre
dos proyectos, el actual y “Diseño de convertidores de potencia para la implementación de una vivienda con alimentación en DC”. Estos dos proyectos
tienen el objetivo de proponer el modelo de una casa que funcione con un sistema de distribución de potencia en corriente directa. Se trata entonces de un
macro proyecto de una vivienda con su sistema eléctrico central en corriente
directa con convertidores bidireccionales para implementar cargas y fuentes
de microgeneración.
Las fuentes de almacenamiento son parte integral en este macro proyecto
ya que estas almacenan energı́a en DC permitiéndonos eliminar la necesidad
de inversores que devuelvan energı́a de mala calidad a la red eléctrica. Por
tanto, en el momento en que las fuentes de microgeneración sean capaces de
entregar la totalidad de energı́a demandada por las cargas de la vivienda y
esta se pueda almacenar, se le otorgarı́a autonomı́a al sistema eléctrico de la
vivienda.
Es importante en este punto limitar el alcance del proyecto a su ámbito
técnico y funcional. Al ser una idea innovadora, lo más importante es la viabili-
1.2. Objetivos
3
dad de su funcionamiento. Por tanto a la hora de tener proyecto un funcional,
se pueden obtener la motivación y medios necesarios para que los órganos
adecuados sean capaces de impulsarlo de forma legislativa y económica para
lograr universalizar su uso.
1.2
1.2.1
Objetivos
Objetivo General
ˆ Diseñar un sistema de fuentes de microgeneración y almacenamiento
para alimentar una vivienda con una red en corriente directa.
1.2.2
Objetivos Especı́ficos
ˆ Implementar fuentes de energı́a provistas por los usuarios para alimentar
las cargas tı́picas de una vivienda.
ˆ Realizar estado del arte de paneles solares y generación eólica para alimentar la red de aplicación residencial en porciones del dı́a.
ˆ Estudiar una manera de almacenamiento para operar las cargas de una
vivienda en corto y mediano plazo.
ˆ Investigar y desarrollar una propuesta de control de distribución de potencia no centralizada para mejorar el aprovechamiento de fuentes de
energı́a renovables y almacenamiento para un modelo de distribución
eléctrica residencial.
1.3
Metodologı́a
La metodologı́a a utilizar para realizar el diseño e investigación de las energı́as
renovables para la vivienda en DC será:
ˆ Recopilación de información bibliográfica sobre la tecnologı́a de microgeneración con energı́as renovables para vivienda. Esta investigación cuenta con libros teóricos y publicaciones en Internet.
ˆ Investigación bibliográfica de generación eléctrica accionada por fuerza
humana. Para esto se buscará información reciente contenida en Internet.
ˆ Estudio de los principales y más novedosos tecnologı́as en la fabricación
de baterı́as. Primordialmente se buscará información actualizada que
esté en Internet.
4
1 Introducción
ˆ Investigación bibliográfica de nuevas tecnologı́as de almacenamiento de
energı́a eléctrica en DC. Para esto se cuenta con publicaciones en Internet
de ultracapacitores y baterı́as de Litio y aleaciones.
ˆ Reuniones periódicas con los compañeros desarrollando el sistema eléctrico de la casa en DC y los convertidores DC/DC para presentar un
proyecto complementario.
ˆ Redacción del informe escrito del proyecto, de acuerdo con las especificaciones expuestas en el programa del curso, incluyendo una revisión de
los capı́tulos I al IV, entrega y revisión de un avance, un borrador final y
una versión final del trabajo. Además se debe realizar una presentación
para la defensa del proyecto.
2
Marco teórico
2.1
Microgeneración
La microgeneración de energı́as renovables se refiere a la generación de energı́a
eléctrica en pequeña escala para brindar provisión domiciliaria o rural. Con el
avance de la tecnologı́a y la concientización ciudadana sobre las ventajas de
la utilización de energı́as renovables, se está incrementando la oferta de equipamiento que permite producir pequeñas cantidades de energı́a en el mismo
lugar que se consume. [3]
El concepto de microgeneración nace junto con la masificación de la generación distribuida. Se entiende por generación distribuida como el uso de
pequeñas unidades de generación instaladas en o cerca del punto de consumo
de clientes finales y conectadas directamente al sistema de distribución eléctrico. La generación distribuida puede efectuarse en niveles de media y baja
tensión, siendo este último el caso bajo el cual se efectúa la microgeneración
especı́ficamente para viviendas unitarias. En términos generales, la microgeneración se define como la producción a pequeña escala de potencia eléctrica a
partir de fuentes que provocan baja emisión de carbón, con potencias en el rango de 1W a 5kW [22]. La clase de tecnologı́as que satisfacen este requerimiento
son la energı́a solar (paneles fotovoltaicos y termosifones), microgeneradores
eólicos, microhidráulico, biomasa, y celdas de combustible de pequeña escala.
Estas tecnologı́as tienen el potencial de ofrecer oportunidades para ayudar a
concretar objetivos de cambio climático, asegurar el suministro y atacar la
escasez de combustibles fósiles.
Para afinar el concepto de microgeneración, se ha recurrido a la definición
que entregan aquellos paı́ses más familiarizados con este tipo de generación.
En particular, la Ley Energética de Reino Unido, publicada el año 2004 define
a la microgeneración como:
“El uso de unidades de generación que utilicen únicamente: biomasa, biocombustibles, celdas de combustible, celdas fotovoltaicas, recursos hı́dricos o
energı́a del viento para la generación de electricidad o producción de calor cuyas capacidades sean a lo sumo 50 kW para la generación de electricidad y 45
kW y para la generación de calor.”[10]
Bajo este concepto, se puede determinar que la microgeneración puede
ayudar a reducir las emisiones de carbono, diversificar la generación, y reducir
las pérdidas por transmisión y distribución de energı́a.
5
6
2.2
2.2.1
2 Marco teórico
Sistemas de Generación Distribuida
Automatización Distribuida
La automatización distribuida se refiere al monitoreo, control y funciones de
comunicación que se localizan en los generadores distribuidos. Desde una perspectiva de diseño, los aspectos más importantes para la automatización distribuida están en el área de protecciones e interruptores.
Hoy en dı́a existen dispositivos con automatización distribuida con una
importante relación costo-efectividad y que sirven como nodos inteligentes en
un sistema de distribución. Estos dispositivos son capaces de interrumpir picos
de corrientes, reconfigurar automáticamente el sistema para que se comporte
de acuerdo a lo programado y monitorear corrientes y tensiones.
2.2.2
Red Eléctrica Inteligente (Smart Grid )
Una red eléctrica inteligente tiene el propósito de recolectar información acerca
del comportamiento de los generadores y consumidores. Esto con el propósito
de que la red pueda aprender el comportamiento y de forma automatizada
lograr mejorar eficiencia, fidelidad y economı́a de la producción y distribución
de energı́a eléctrica [4].
Por tanto, el “Smart Grid” hace uso de tecnologı́as como la estimación de
estados, que detectan fallas y permiten un aprendizaje propio de la red en la
que se localiza, para funcionar de manera eficaz aún sin la intervención de un
operador.
Se maneja actualmente el concepto de flujo de energı́a eléctrica bidimensional, permitiendo que la generación distribuida pueda manejar fuentes de
energı́a renovable ası́ como fuentes de almacenamiento. Las redes de energı́a
eléctrica han sido históricamente diseñadas para transmitir en una única dirección, pero si una red local genera más energı́a de lo que consume, el flujo
inverso debe considerar seguridad y confianza.
Actualmente, el concepto de “Smart Grid” se ha convertido cada vez más
importante y familiar para diferentes áreas, como por ejemplo: sistemas de
energı́a renovable, sistema tradicional de distribución de energı́a eléctrica, tecnologı́a de comunicaciones, entre otras.
2.3
Energı́a solar fotovoltaica
La historia de los materiales fotovoltaicos (FV) empieza cuando el fı́sico francés, Edmund Becquerel, fue capaz de generar una diferencia de potencial al
iluminar un electrodo metálico en una solución con bajo nivel de electrolitos.
(Becquerel, 1839). Posteriormente, Adams y Day en el siglo XIX descubrie-
2.3. Energı́a solar fotovoltaica
7
ron los semiconductores, una clase particular de material que podı́a generar
electricidad directamente de la luz solar (Adams and Day, 1876). Es en ese
momento, donde se crea la primera celda fotovoltaica fabricada de selenio,
con una eficiencia de únicamente 1 %. En la década de 1950, se incrementa el
estudio de los semiconductores, especialmente en los laboratorios de Bell en
Estados Unidos donde se desarrolló la tecnologı́a con el germanio y el silicio.
De igual forma, la eficiencia de conversión de estas nuevas celdas se mantenı́a
únicamente en un 6 % y todavı́a con costos de fabricación inaccesibles para su
comercialización.
Como se puede observar en la figura 2.1, es partir de 1980 que mejores
eficiencias y menor costo hicieron de la tecnologı́a fotovoltaica una realidad
para la generación de energı́a eléctrica. A partir de ese momento y hasta ahora,
por medio de la investigación, se han desarrollado dispositivos con eficiencia
y costo cada vez más convenientes.
Figura 2.1: Estado actual de la eficiencia de paneles fotovoltaicos [12]
2.3.1
Principio de funcionamiento
El principio fundamental de la tecnologı́a de las celdas solares se encuentra
en el efecto fotoeléctrico y en los semiconductores. Un fotón es la partı́cula
fundamental portadora de energı́a. Se considera entonces un fotón que posee
una energı́a superior a la energı́a de banda prohibida, incidente sobre un semiconductor es capaz de excitar a los electrones de la capa de valencia hasta la
8
2 Marco teórico
banda de conducción, permitiendo de esta manera un flujo de corriente eléctrica. Por tanto, cuando el semiconductor de la celda solar es iluminado, este
recolecta los fotones con energı́a que exceden la energı́a de la banda prohibida.
Al ser promovido ese electrón, se fuerza una separación de electrones dejando
un espacio sin ocupar cargado positivamente.
Figura 2.2: Diagrama de reacciones en el semiconductor ante la entrada de un
fotón [6]
En general, la estructura de una celda solar consiste en una capa absorbente, en la cual los fotones de la radiación incidente se absorben eficientemente
creando pares de electrón - hueco. En la misma capa absorbente, se adjuntan
membranas semipermeables que selectivamente permiten únicamente pasar un
tipo de portador de carga con el propósito de separar los pares electrón - hueco
unos de otros. Es importante en este punto que, considerando las caracterı́sticas de las membranas de la capa de absorción, se mantenga el requerimiento
que esta capa sea más pequeña que la longitud de difusión de los portadores
de carga. [24]
El material con el que están fabricadas estas membranas que permiten
pasar y bloquear señales, es un semiconductor de tipo n. Los electrones pueden moverse fácilmente a través del semiconductor de tipo n mientras que
los huecos tienen un limitado margen de movimiento por los procesos de recombinación. En el lado opuesto, se tiene un semiconductor de tipo p que se
presenta como la membrana en la que los huecos se mueven libremente.
Para poder minimizar el ingreso de huecos entre la capa absorbente al
semiconductor de tipo n, se introduce una banda de valencia ∆EV , entre el
semiconductor de tipo n y la capa absorbente. De la misma forma se hace con
la banda de conducción entre el semiconductor tipo p y la capa absorbente.
2.3. Energı́a solar fotovoltaica
2.3.2
9
Aplicación y potencial técnico en Costa Rica
Como un ejemplo directo de aplicación, se plantea el potencial que tiene la
energı́a solar fotovoltaica especı́ficamente en Costa Rica. Esto se hace al tomar
en cuenta la irradiación solar del paı́s para entender la capacidad de generación
de paneles fotovoltaicos localmente.
Con el avance de la tecnologı́a en esta área, en el último año se cuenta con
la publicación por parte del software pvPlanner de la empresa GeoModel Solar
de un mapa satelital con los datos de irradiación solar de Costa Rica. El mapa
actualizado con el promedio de irradiación solar en kW h/m2 se puede observar
en la figura 2.3. En el mapa se toman en cuenta los datos de irradiación solar
desde 1999 al 2013 ası́ como las condiciones topológicas para considerar las
áreas montañosas donde se acumulan las nubes.
Figura 2.3: Mapa de Irradiación Horizontal en Costa Rica [21].
Se observa entonces que en la región de Guanacaste, ası́ como en el oeste del
Valle Central, Pacı́fico Central y Pacı́fico Sur, se tienen niveles de irradiación
10
2 Marco teórico
promedio mayores a 2100kW h/m2 . Considerando que, de acuerdo al estudio
publicado por Weigl en el presente año [23], cualquier zona en la que se tenga
niveles de irradiación mayores a 1500kW h/m2 tiene condiciones de calidad
para invertir en energı́a con paneles solares.
Se considera también que, gracias a la ubicación geográfica de Costa Rica,
no existen estaciones climáticas tan marcadas como sı́ se presentan en latitudes más alejadas del ecuador. Por tanto la producción solar fluctúa en muy
pequeña magnitud durante el año. El factor más grande en la reducción de la
irradiación solar se trata de las nubes acumuladas en la estación lluviosa.
Otro factor a considerar es la influencia del ángulo azimutal solar para
tomar en cuenta la dirección para la instalación de los paneles solares en el
caso de ejemplo en Costa Rica. En la figura 2.4 se presenta un diagrama con
el recorrido solar del sol cada hora en un dı́a de cada mes del año 2012.
Figura 2.4: Diagrama de recorrido solar en San José, Costa Rica. [23].
2.3.3
Potencia por área de panel fotovoltaico instalado
La cantidad de generación PS en kWh para paneles fotovoltaicos se puede
calcular como:
PS = µSαIa (1 − 0,005(TO − 25))
Donde:
(2.1)
2.4. Energia solar térmica
11
ˆ µ es el porcentaje de eficiencia del panel fotovoltaico.
ˆ S es el área del panel instalado en m2 .
ˆ α es la proporcionalidad de rendimiento energético.
ˆ Ia es la irradiación solar en unidades de kW/m2 .
ˆ TO es la temperatura ambiente en grados Celsius.
De esta forma tenemos una guı́a aproximada de cuánto se puede producir
en una vivienda de acuerdo a la irradiación y temperatura en tal ubicación,
área del panel, y eficiencia del panel instalado. Por ejemplo, un panel de 1m2
con una eficiencia del 21 %, en el área metropolitana de San José con una
irradiación solar de 1800kW h/m2 /año y a una temperatura ambiente TO =
25◦ C, es capaz de producir:
1800kW h año
∗ 1 = 1kW h/da
(2.2)
año
365 dı́as
Este es un valor pequeño para una residencia tı́pica que puede consumir
fácilmente unos 10kW h/da, sin embargo se trata de un panel de únicamente
1m2 . Los paneles solares residenciales instalados por las compañı́as proveedoras de tal servicio pueden variar entre valores de 1kW y 10kW, capaces de
suplir en su totalidad la carga de una residencia tı́pica de haber un almacenamiento funcional.
PS = 0,21 ∗ 1 ∗
2.4
Energia solar térmica
La energı́a solar térmica consiste en el aprovechamiento de la luz solar para calentar un lı́quido. Para conseguir calentar el lı́quido, se utilizan paneles
colectores.
Existen dos tipos de sistemas solares térmicos: pasivos y activos. Los sistemas pasivos no utilizan ningún otro mecanismo, herramienta o equipo especial
para calentar el fluido. Por tanto, su función es la de recolectar la energı́a solar
para, en un proceso de convección de calor, darle una temperatura al fluido
sobre el nivel de temperatura del ambiente.
Por su parte, las plantas de energı́a solar térmicas son sistemas activos
y se componen de los siguientes elementos: espejos y lentes que reflejan y
concentran la radiación solar, y receptores que recolectan la energı́a solar y la
convierten en energı́a de calor. Un generador puede ser utilizado en este punto
para producir potencia eléctrica a partir del calor obtenido.
Generalmente, las plantas de generación de energı́a solar térmica utilizan
configuraciones de espejos parabólicos diseñadas para recolectar la radiación
12
2 Marco teórico
solar. Estas sistemas de concentración se ubican en forma lineal y operan a
temperaturas desde 400 ◦ C hasta 750 ◦ C concentrando la radiación hasta 100
veces de la intensidad normal de la radiación directa[8].
Figura 2.5: Ejemplo de una planta de generación de energı́a solar térmica con
espejos parabólicos. [18]
El captador solar térmico es la parte de la instalación encargada de captar
la energı́a proveniente del sol y transmitirla al fluido que transporta el calor.
Esto tiene varias aplicaciones que se discuten en las siguientes subsecciones.
2.4.1
Aplicación: Calentador de agua solar residencial
Las instalaciones solares térmicas de baja temperatura son sistemas silenciosos, limpios, sin partes móviles y con larga vida útil, que generan una energı́a
descentralizada, cerca de donde se necesita y sin precisar infraestructuras para
su transporte.
El sistema de energı́a solar térmica para una casa funciona de forma que el
panel solar capta los rayos del sol, absorbiendo su energı́a en forma de calor.
A través de ese panel, hacemos pasar un fluido de manera que parte del calor
absorbido sea transferido a dicho fluido, elevando su temperatura y siendo
almacenado o directamente transportado a su punto de consumo.
2.5. Energia eólica
13
Figura 2.6: Diagrama principio de convección tanque calentador de agua solar
ENERTIVA
En la figura 2.6 podemos observar como, mediante un panel térmico ubicado en el techo de una casa, se puede aprovechar la radiación solar para
calentar el agua en el tubo colector al vacı́o. A partir de ahı́, el lı́quido fluye
a través de un circuito hidráulico que se encarga de conducir el fluido desde
ese sistema de captación hasta el tanque de acumulación. En ese sistema de
acumulación existe un intercambiador de calor donde el agua es transferida
hacia la red de consumo de agua caliente de la vivienda. Un nuevo flujo de
agua a temperatura ambiente entra al tubo colector al vacı́o para continuar
con el ciclo.
2.5
Energia eólica
En las instalaciones de aprovechamiento de la energı́a eólica, la fuente primaria
de energı́a es el viento, aire en movimiento originado por la diferencia de
presión provocada por el calentamiento desigual de la superficie terrestre por
efecto del sol.
2.5.1
Potencia en el viento
Al considerar la potencia en el viento, se toma en cuenta que es la energı́a cinética que posee en un momento la que es capaz de girar una turbina eólica. Por
tanto, se puede modelar como una “porción”de aire con masa m, moviéndose
a una velocidad v. La energı́a cinética EC, está dada por la relación:
1
EC = mv 2
2
(2.3)
14
2 Marco teórico
Ahora, para la energı́a eólica, la velocidad referida en la ecuación 2.3 se
considera que es la velocidad del viento mientras que la masa es un volumen
particular de aire. Por otro lado, se considera que una tasa de flujo de la masa
ṁ, a través de un área A, es producto de la densidad ρ, la velocidad υ, y el
área transversal de A:
ṁ =
masa pasando por A
= ρAυ
tiempo
(2.4)
Al unir las ecuaciones 2.3 y 2.4 obtenemos la relación:
1
Pω = ρAυ 3
2
(2.5)
Que en unidades del S.I. se considera Pω como la potencia del viento en
kg
Watts; ρ la densidad del aire en ( m
3 ); A como el área transversal por el cual
2
pasa el viento (m ); y υ la velocidad del viento perpendicular a A ( m
s ). Se
observa entonces, que la potencia del viento incrementa en una relación cúbica
con la velocidad del viento.
Al incidir sobre las hélices de la turbina eólica en cuestión, la energı́a
cinética del viento se transforma en energı́a de presión, transmitiendo un giro
al eje. Finalmente, un generador transforma esta energı́a mecánica en energı́a
eléctrica.
La potencia real extraı́da de las del rotor es la diferencia entre la potencia
generada por el viento a favor y en contra. Utilizando la ecuación 2.3, se deriva
la siguiente ecuación en unidad de Watts:
1
Po = (flujo de masa por segundo)(V 2 − Vo2 )
2
(2.6)
Donde:
ˆ Po = Potencia mecánica extraı́da por el rotor.
ˆ V = Velocidad del viento a favor en la entrada de las aspas del rotor.
ˆ Vo = Velocidad del viento en contra a la salida de las aspas del rotor.
Ahora, evitando adentrarse en la parte aerodinámica de las aspas del generador, tomamos una vista más detallada en el flujo de aire que existe en torno
a las aspas. En una escala macroscópica, la velocidad del aire es discontinua
de V a Vo en el plano de las aspas del rotor, con un promedio de 12 (V + Vo ).
Al multiplicar la densidad del aire por la velocidad promedio, entonces obtenemos el flujo de masa de aire a través de las aspas rotatoria como se muestra
en la ecuación 2.7:
2.5. Energia eólica
15
V + Vo
(2.7)
2
Por lo tanto, la potencia mecánica de salida del rotor, que mueve el generador eléctrico es:
1
V + Vo
Po =
ρA
(V 2 − Vo2 )
(2.8)
2
2
Flujo de masa de aire = ρA
Se puede simplificar algebraicamente esta expresión para tenerla en términos de un coeficiente de potencia CP del rotor de forma que:
1
Po = ρAV 3 CP
2
(2.9)
con:
1+
CP =
Vo
V
h
1−
Vo 2
V
i
(2.10)
2
CP se determina entonces que es el rendimiento del generador de turbina
eólica, siendo el porcentaje de energı́a contenida en el viento que atraviesa el
rotor y que es transformada en energı́a mecánica en el eje del rotor. Queda
claro entonces, y se ilustra en la figura 2.7 para diferentes tipos de turbinas
eólicas que este coeficiente CP depende de las aspas y el sistema de control de
la máquina generadora.
Figura 2.7: Relación entre la eficiencia del rotor entre la razón de velocidad
de punta para diferentes tipos de turbinas eólicas [19]
Se observa además en la figura 2.7 que el parámetro de Eficiencia del rotor
tiene un lı́mite fı́sico, llamado el Lı́mite de Betz que es 59.26 %. Se puede
observar aquı́ que ninguna de las tecnologı́as de turbinas eólicas presentadas
16
2 Marco teórico
en tal figura logra alcanzar tales valores. También se identifica que cada tipo de
rotor opera en un intervalo de razones de velocidades de punta determinado,
pero alcanza un valor máximo de eficiencia en un cierto valor de esa razón.
2.5.2
Principio de Funcionamiento
Figura 2.8: Diagrama interno turbinas eólicas [16]
La función de las hélices de una turbina es convertir la energı́a cinética del
viento que hace girar un eje rotatorio en energı́a eléctrica por medio de un
generador sincrónico. Por tanto, el diagrama observado en la figura 2.8 presenta las hélices de la turbina que se mueven a causa de la energı́a cinética del
viento, haciendo que gire el generador. Los generadores consisten en un rotor
que gira produciendo un campo magnético rotativo de magnitud constante
ubicado dentro de un estator que consiste en un devanado AC trifásico donde
se genera la fuerza electromotriz debido al flujo giratorio del rotor. Esta señal
de salida en el devanado trifásico se rectifica, produciendo un nivel de tensión
en DC.
2.6
Energia micro-hidráulica
El fundamento básico de la generación de energı́a de recurso hı́drico consiste en el aprovechamiento de la energı́a cinética del agua al tener un caudal
o potencial almacenada en un embalse, con el objetivo de producir energı́a
eléctrica. Por tanto, la energı́a potencial del agua genera presión, y el flujo
continuo de agua en un sistema hı́drico nos da un recurso continuo de energı́a del lı́quido presurizado. Agua presurizada en movimiento es un recurso
muy denso, y los sistemas hidro-eléctricos convierten un gran porcentaje de
2.6. Energia micro-hidráulica
17
la energı́a disponible en energı́a eléctrica porque el recurso está encerrado en
una tuberı́a.
Las centrales de generación micro-hidráulica se pueden dividir en dos tipos:
ˆ Central de agua fluyente o en derivación: Se utiliza parte del cauce de
agua del rı́o para desviarlo hacia la central de generación y devolver el
agua rı́o abajo.
ˆ Central de embalse o de regulación
A continuación establece la siguiente clasificación para generación hidroeléctrica a pequeña escala:
Cuadro 2.1: Clasificación de Generación Hidroeléctrica de Pequeña Escala [1]
Hidrogeneración de pequeña escala
Energı́a minihidráulica
Energı́a microhidráulica
Energı́a picohidráulica
Potencia de salida
100kW-1MW
5kW-100kW
Menos de 5kW
Por tanto, para el propósito de microgeneración en el que se enfatiza en
este proyecto, se prioriza la información con energı́a microhidráulica e incluso
picohidráulica.
2.6.1
Principio de funcionamiento
Existen dos enfoques fundamentales para transformar la energı́a mecánica
necesitada para hacer girar el rotor de un generador eléctrico en una turbina
de agua. Las turbinas de impulso capturan la energı́a cinética de corrientes
de agua a alta velocidad en puntos de una circunferencia. Por otro lado, las
turbinas de reacción utilizan más bien la diferencia de presión entre las aspas
de la turbina para crear el torque, necesitando una diferencia de altura para
tener una caı́da de agua.
Ante el problema de tener un embalse con caı́da de agua, son las turbinas de
impulso las que se utilizan en sistemas microhı́dricos. Estas turbinas fueron
desarrolladas y patentadas por Lester Pelton en 1880 y de ahı́ se deriva su
nombre actual.
18
2 Marco teórico
Figura 2.9: Diagrama interno turbina de generación Pelton [13]
En la figura 2.9 se puede observar como se utiliza la corriente del agua
para ejercer trabajo mecánico sobre las aspas de la turbina, logrando el torque necesario para que las turbina gire. Al igual que para el caso presentado
previamente para la turbina eólica, se utiliza un generador sı́ncrono AC, donde
la rotación de la turbina produce un campo magnético rotativo en el estator
que es la que genera la fuerza electromotriz.
2.7
Energı́a obtenida a partir de biomasa
La biomasa es el término utilizado para describir toda la materia orgánica,
producido por la fotosı́ntesis que existe en la superficie de la tierra. Cabe aclarar que la fuente de toda la energı́a de la biomasa es el sol, y la biomasa ejerce
una función de almacén de energı́a quı́mica. La biomasa se forma naturalmente y es constantemente sometida a una compleja serie de transformaciones
fı́sicas y quı́micas en un continuo proceso de regeneración, mientras que tiene
un desprendimiento de energı́a en forma de calor a la atmósfera.
La biomasa funciona entonces como un tipo de baterı́a natural para almacenar energı́a solar. Mientras que la biomasa sea producida de una manera
sostenible con el ambiente, al responder a las necesidades actuales sin afectar
otros recursos o la capacidad de la tierra de regenerar la biomasa y recapturar
el carbón, esta baterı́a permanecerá indefinidamente y proveerá de una fuente
de energı́a.
Existen tres formas en las que se puede agrupar la producción de biomasa,
que son:
1. Cosechas para cultivo de energı́a que no compiten por el uso de la tierra
con cultivos para la industria alimentaria.
2.7. Energı́a obtenida a partir de biomasa
19
2. Residuos de cosechas a partir de desechos como maı́z o trigo o maderas
cultivadas.
3. Desechos limpios de uso humano.
Estos tipos de producción de biomasa se pueden considerar como una parte
del ciclo del carbón terrestre, el balance de presencia de carbono entre la
atmósfera y las plantas y suelo. Cuando la energı́a a partir de la biomasa se
desarrolla adecuadamente, las emisiones de carbono por parte de la biomasa
se utilizan o son recicladas en forma de crecimiento de nuevas plantas de forma
inmediata, resultando en una baja emisión neta de carbono.
Dependiendo de la región en la que se ubique la generación deseada de
biomasa, varı́a el método y la materia prima por la cual se puede obtener una
mayor eficiencia de generación de energı́a a partir de la biomasa.
2.7.1
Principio de funcionamiento
Inicialmente la forma de obtener energı́a a partir de la biomasa era quemándola
para convertirla en calor. Sin embargo, los avances tecnológicos han guiado a
obtener formas más eficientes y limpias de utilizar la biomasa. Entre ellas se
encuentran:
2.7.1.1
Gasificación
Al calentar la biomasa en presencia de una cantidad controlada de presión
y oxı́geno, se puede convertir en una mezcla de hidrógeno H2 y monóxido
de carbono CO llamada syngas. El syngas se puede refinar para remover los
contaminantes y utilizarse en una turbina de gas o de vapor para producir
energı́a eléctrica.
Este proceso es más limpio y eficiente que la combustión directa de la biomasa. El syngas también puede ser procesado para obtener biocombustibles.
2.7.1.2
Digestión anaeróbica
Se utilizan microorganismos que descomponen la biomasa para producir metano CH4 y dióxido de carbono CO2 . Una porción de este metano generado
es capturado y quemado para obtener calor y ser utilizado como vapor en
turbinas de generación. Adicionalmente a la generación de energı́a eléctrica,
este método procesa el metano para evitar que este se escape a la atmósfera,
reduciendo la emisión de este gas altamente contaminante para la atmósfera.
Para efectos de microgeneración, se utiliza este método de generación con
motores de combustión interna que toman el biogas generador en el proceso
de digestión anaeróbica y producen la energı́a eléctrica.
20
2.8
2 Marco teórico
Generación por esfuerzo humano
Todas las herramientas a través de la historia han sido impulsadas por el esfuerzo humano. Se cree que la primera herramienta impulsada por esfuerzo
humano que generó movimiento rotatorio fue el torno del alfarero cerca al año
3500 a. C. Más tarde, instrumentos como el tornillo de Arquı́medes permitió
transferir agua de un nivel a otro. Durante el siglo XV, la técnica de incorporar volantes de inercia para producir movimiento constante tuvo un gran
impacto, permitiendo el desarrollo y comercialización de la rueda giratoria en
Europa. Ya para el siglo XIX, el uso de pedales en la bicicleta estableció una
forma eficiente de autotransporte [7]. En efecto, en paralelo a la invención
del electrodinamómetro, se especula que el pedal fue utilizado para generar
energı́a eléctrica tan temprano como en el siglo XIX.
Sin embargo, a partir del apogeo de la revolución industrial, la sociedad
ingenió nuevas formas de producir energı́a eléctrica que no eran generadas
por esfuerzo humano. Esta situación motivo a que, se desarrollaran aplicaciones diferentes para generar la energı́a eléctrica y se innovara en el uso de
hidrocarburos como principal recurso de producción de energı́a eléctrica.
2.8.1
Potencia y Generación
La fuerza mecánica de los humanos viene dada por la aportación energética de
los alimentos que dan movimiento a la musculatura e intervienen en el buen
funcionamiento metabólico por el que tenemos energı́a para vivir activamente.
El valor nutricional de los alimentos y su calidad de macronutrientes determina
y es proporcional a la cantidad de energı́a que se genera al metabolizarse en el
proceso de oxigenación. Este complejo ciclo se puede cuantizar con la medida
calorı́as o kilocalorı́as (1kcal = 1000 calorı́as). Se considera que la dieta humana
básica contiene entre 1000 y 4000 kcal por dı́a. Una parte de la energı́a de los
alimentos está destinada al mantenimiento metabólico base, que es variable
entre la edad, peso y sexo entre cada persona. Al considerar una alimentación
adecuada, la potencia media energética humana está alrededor de los 150 W
sobre una máquina como una bicicleta.
2.8.2
Aplicaciones modernas
La generación por esfuerzo humano se presenta como una alternativa posible
para desarrollarse hoy en dı́a. Compañı́as alrededor del mundo se dedican a
la implementación de facilidades de gimnasios energéticamente autosuficientes
con el uso de bicicletas estacionarias, elı́pticas y caminadores especiales.
2.9. Almacenamiento de Energı́a Eléctrica
2.9
21
Almacenamiento de Energı́a Eléctrica
La continua variabilidad y aumento de capacidad de generación de las fuentes
de energı́as renovables mencionadas en las secciones anteriores, hacen indispensable la utilización de sistemas de almacenamiento que permitan disponer
de energı́a de una forma inmediata. Estos sistemas de almacenamiento permiten responder a la demanda, cubriendo las irregularidades de suministro y
optimizando la planificación de los sistemas de generación.
Como caracterı́sticas importantes para elegir un sistema de almacenamiento, se tienen:
ˆ Potencia aportada
ˆ Capacidad de almacenamiento
ˆ Velocidad de respuesta.
ˆ Vida útil.
ˆ Costos de mantenimiento.
Las baterı́as han sido ampliamente adoptadas en automóviles dado a sus
caracterı́sticas en término de densidad de alta energı́a, tamaño compacto y
seguridad. [17]
2.9.1
Baterı́as de Ión-Litio
El litio es el más ligero de todos los metales, por tanto también es el metal
con el mayor potencial electroquı́mico. Por estos motivos, la ciencia de los
materiales ha trabajado en el desarrollo de las baterı́as de ión-litio buscando
darle seguridad y estabilidad al almacenamiento de energı́a por este medio.
La baterı́a de ión-litio ha demostrado tener un excelente desempeño en el
uso de equipo electrónico portable e instrumentos médicos [17]. El electrodo
positivo de estas baterı́as está fabricado de cobalto oxidado, mientras que el
electrodo negativo es fabricado con material de carbono. Por su parte, se utiliza
como electrolito la sal de litio en un solvente orgánico. Esto produce una alta
densidad de energı́a, buen desempeño en alta temperatura y que tenga un uso
reciclable.
La baterı́a de ión-litio es una baterı́a de bajo mantenimiento, lo que es una
ventaja sobre otras de similar configuración quı́mica.
2.9.2
Ultracapacitores
Los ultracapacitores funcionan por medio de un componente electroquı́mico
que almacena energı́a por medio de cargas electrostáticas en las superficies
22
2 Marco teórico
opuestas de la doble capa eléctrica que se forma entre cada colector y electrolito. Es por esto, que los ultracapacitores almacenan energı́a al separar
fı́sicamente las cargas positivas y negativas. Las cargas son almacenadas en
dos placas paralelas separadas por un aislador.
En efecto, no se produce ninguna reacción quı́mica en los procesos de carga
y descarga incluso cuando se trata de un componente electroquı́mico.
Los electrodos son fabricados por material de carbón poroso depositado en
láminas metálicas con poros en el orden nanométrico y en un área del orden
de 1000 cm2 /gm.
Figura 2.10: Configuración de una célula individual de un ultracapacitor [11]
La figura 2.10 ilustra la estructura de una célula individual de un ultracapacitor [11]. El potencial aplicado al electrodo positivo atrae los iones negativos
en el electrolito, mientras que el potencial en el electrodo negativo atrae los
iones positivos permitiendo que se almacenen las cargas opuestas en sus respectivas placas. En el medio actúa un separador dieléctrico que previene que
la carga se mueva entre los dos electrodos.
La densidad energética del ultracapacitor es considerablemente mayor al
de la baterı́a dado que las cargas están almacenadas en los electrodos. Por esta
razón también es que el mecanismo es altamente reversible, y permite que el
ultracapacitor sea cargado y descargado cientos de miles de veces [15].
2.9.3
Baterı́a de Metal Lı́quido
Como parte de la investigación del Dr. Donald Sadoway, profesor del Instituto
Tecnológico de Massachusetts (MIT) se desarrolló el proyecto de la Baterı́a
de Metal Lı́quido, que en el año 2010 llevó a fundar la compañı́a Ambri para
comercializar el producto.
2.9. Almacenamiento de Energı́a Eléctrica
23
Figura 2.11: Esquema funcionamiento de la baterı́a de metal lı́quido [2]
La baterı́a de metal lı́quido, como su nombre lo describe, tiene un diseño
completamente lı́quido. De acuerdo al funcionamiento que se describe en el
esquema de la figura 2.11 las celdas de la baterı́a de Ambri están compuestas
por una sal que actúa como el electrolito que separa las dos capas metálicas
diferentes de electrodos. En el estado en que la baterı́a está cargada, existe
energı́a potencial entre el metal de más alto nivel de magnesio y el de bajo
nivel de antimonio que crea el voltaje de la celda. Para descargar la baterı́a,
la tensión de la celda toma electrones del electrodo de magnesio (Mg) hacia
la carga y haciendo que los electrones vuelvan al electrodo de antimonio (Sb)
formando una aleación entre el magnesio y el antimonio. Para recargar la
baterı́a, energı́a de una fuente externa provee la corriente de electrones en
sentido inverso separando el Mg de la aleación Mg-Sb y reconfigurando el Mg
en el nivel más alto.
Esta baterı́a responde en milisegundos a cambios en la demanda de la red
y puede almacenar la cantidad de energı́a necesaria para alimentar a la red
exclusivamente por horas con su núcleo de 2M W h.
Las ventajas que puede otorgar el uso de esta baterı́a es que al tener un
sistema modular, se puede adaptar para un sistema de generadores también
modulares con generación proveniente de diversas fuentes de energı́a.
Dentro de la búsqueda de nuevas tecnologı́as para el almacenamiento de
energı́a surgió el interés de la compañı́a Aquion Energy. Ellos se encargaron de
buscar una forma de almacenamiento capaz de balancear costo de materiales,
alta eficiencia, seguridad y un alto porcentaje de almacenamiento de energı́a.
De esta manera surgió la baterı́a AHI, por sus siglas en inglés Aqueous Hybrid Ion. Esta baterı́a está constituida por materiales muy comunes y seguros
de manipular que permiten mediante reacciones quı́micas un almacenamiento
eficientes y seguro de la energı́a.
24
2 Marco teórico
2.9.4
Baterı́a AHI
Dentro de la búsqueda de nuevas tecnologı́as para el almacenamiento de energı́a surgió el interés en la compañia Aquion Energy iniciada a partir de estudios
realizados en la Universidad Carnegie Mellon. Ellos se encargaron de buscar
una forma de almacenamiento capaz de balancear costo de materiales, alta eficiencia, seguridad y un alto porcentaje de almacenamiento de energı́a. De esta
manera surgió la baterı́a AHI, por sus siglas en inglés Aqueous Hybrid Ion.
Esta baterı́a está constituida por materiales muy comunes y seguros de manipular que permiten mediante reacciones quı́micas un almacenamiento eficiente
y seguro de la energı́a.
2.9.4.1
Construcción
Como se mencionó anteriormente las baterı́as AHI están constituidas principalmente por materiales de bajo costo y que se encuentran con gran facilidad.
Esto se puede observar en la figura 2.12 que se explica a continuación.
Figura 2.12: Construcción de una baterı́a AHI [9]
ˆ Medio electrolı́tico: Uno de los lı́quidos más comunes en el planeta es
el agua por lo que hace pensar que su costo es muy bajo. Además el
agua tiene la ventaja de ser un lı́quido con un pH neutro lo que nos
evita pensar en problemas como la corrosión o disminución del tiempo
de vida debido a las propiedades de ésta.
ˆ Cátodo: La escogencia de este se basó en buscar un material que fuera
muy común en la naturaleza y es de aquı́ que se escoge el Óxido de
Manganeso. Su bajo costo y las caracterı́sticas propiedades quı́micas del
2.9. Almacenamiento de Energı́a Eléctrica
25
Manganeso permiten que funcione de manera perfecto como cátodo considerando el medio acuoso utilizado.
ˆ Ánodo: La mayorı́a de materiales que pueden funcionar como ánodos en
un sistema acuoso suelen ser corrosivos, sin embargo, el carbón resulta
ser altamente estable en un medio acuoso y poco corrosivo incluso en
condiciones extremas.
2.9.4.2
Productos
Las baterı́as AHI vienen constituidas por bloques de varias baterı́as conectadas en serie o en paralelo dependiendo de la necesita de la aplicación. A
continuación algunos de los ejemplos de baterı́as AHI:
1. Baterı́a lı́nea S: Este tipo de arreglo es el más sencillo. Es utilizado para
lograr otras configuraciones más grandes mediante conexiones en serie y
paralelo. Aproximadamente tiene una capacidad de 2.4 kWh y trabaja
a un voltaje nominal de 48 V.
Figura 2.13: Baterı́a Lı́nea S [9]
2. Baterı́a lı́nea M: Esta lı́nea presenta 12 baterı́a lı́nea S acomodadas de
manera que se logran hasta 25.5 kWh y permite ajustar el voltaje según
se desee.
26
2 Marco teórico
Figura 2.14: Baterı́a Lı́nea M [9]
3. Baterı́a Lı́nea Industrial: Esta lı́nea no es tiene caracterı́sticas especiales sino más se refiere a las posibles combinaciones de las lı́nea M que
se puedan realizar para aplicaciones industriales o de gran escala que
necesiten de gran cantidad de energı́a almacenada.
Figura 2.15: Baterı́a Lı́nea Industrial [9]
3 Análisis energético para
autonomı́a
Con el propósito de estudiar la capacidad de generación, almacenamiento y
forma de consumo común durante el dı́a en las viviendas, se utiliza el software
MATLAB [14] para graficar, calcular áreas y obtener información de curvas
de capacidad reales. Se presenta entonces un estudio técnico a partir de la
generación con las diferentes formas de energı́a renovables estudiadas en el
Capı́tulo 2 con diferentes escenarios en los que se proyecta trabajar para el
modelo de la casa diseñado.
Para este capı́tulo se cuenta con los datos de carga real en viviendas provistos por la Compañı́a Nacional de Fuerza y Luz (CNFL) de Costa Rica,
de acuerdo a un estudio realizado en el año 2004. Estos datos de consumo
de potencia cada 5 minutos durante dı́as especı́ficos se utilizan para hacer un
estudio real de los hábitos de consumo en una vivienda en el paı́s modelo. En
este capı́tulo se utilizan entonces los datos de la curva de carga del dı́a 7 de
febrero del año 2004 en la “Residencia Oreamuno”de dicho estudio para presentar los casos posibles a continuación. Sin embargo, se presenta como anexos
otros casos de demanda reales en un dı́a de la misma residencia, además del
código utilizado para obtener los resultados aquı́ presentados.
3.1
Casa con paneles solares como único recurso
de microgeneración
Se considera ahora la dirección que se ha tomado en el paı́s muestra de Costa
Rica como forma de microgeneración más usual. Por tanto, interesa estudiar
el comportamiento que se tendrı́a en una casa en la que, aparte de estar
conectado a la red, únicamente se tenga generación por medio de paneles
solares fotovoltaicos.
27
28
3 Análisis energético para autonomı́a
Figura 3.1: Diagrama de un módulo a instalar de panel solar fotovoltaico de
4kW [20]
Para tomar la generación del panel, se utilizan los datos provistos por
el National Renewable Energy Laboratory (NREL) [5] para un panel solar
fotovoltaico, con las siguientes caracterı́sticas:
ˆ Ubicación: Rivas, Nicaragua.
ˆ Tamaño sistema DC: 4kW .
ˆ Tipo de módulo: Estándar.
ˆ Tipo de instalación: Fija en el techo.
ˆ Pérdidas del sistema: 14 %.
ˆ Inclinación: 20◦ .
ˆ Azimut: 180◦ .
Con estos valores, la aplicación citada nos entrega los valores de generación
en kW respecto al tiempo, en la que se ubica el mismo dı́a en la zona del modelo
a estudiar y se genera la gráfica en color amarillo de la figura 3.2.
Esta gráfica se genera a partir de los datos de la curva de demanda de una
vivienda con mediciones cada 5 minutos, y los datos de generación del panel
con los variables descritos previamente.
3.1. Casa con paneles solares como único recurso de microgeneración
29
Figura 3.2: Curva de potencia de una vivienda con un panel solar de 4kW
Se presenta entonces en la figura 3.2 la curva de capacidad de una vivienda
en color azul y la generación de un panel solar de 4kW durante un dı́a. Al
integrar las áreas bajo cada una de las curvas en esta figura, nos encontramos
con que la energı́a consumida durante el dı́a es de 29,6542kW h mientras que
la energı́a generada por el panel es de 18,3143kW h. Sin embargo, el interés
aquı́ es observar que durante el transcurso del dı́a existen traslapes en los
cuales el panel genera más de lo que se consume en la casa. Esto es usual para
este tipo de sistemas, y por eso se cuenta con un beneficio al trabajar con el
modelo en DC que tenemos, ya que uno de los elementos de la casa es el del
almacenamiento. De esta forma, se estudia la capacidad necesaria que debe
tener una baterı́a para almacenar tal energı́a generada por el panel durante
los momentos en los que genera más de lo que se consume.
Esto se hace a partir de un procedimiento en MATLAB para integrar las
áreas entre ambas gráficas para obtener la energı́a en kW h que se requiere para
la baterı́a. Por tanto en los resultados de la figura 3.3 se presenta conjunto a
la gráfica de la potencia demandada por unidad de tiempo en kW , una gráfica
de la integral a partir de que la generación supera la demanda, para modelar
energı́a que posee una baterı́a en términos de carga y descarga considerando
que no haya restricciones ni pérdidas.
30
3 Análisis energético para autonomı́a
Figura 3.3: Diferencia entre potencia consumida y generada en la figura 3.2
con carga de la baterı́a requerida.
Se observa entonces que las áreas que nos incumben a la hora de diseñar
la baterı́a son especialmente las sombreadas en amarillo, ya que es la potencia
que el panel está entregando por sobre la demanda. Esto significa que, para
esta situación en especı́fico, a las 6:30AM se modela un superávit de energı́a
que es lo que se pretende almacenar. Entonces se necesita una baterı́a que
inicialmente pueda cargarse 5,26kW h de 6:30AM a 11:00AM para después
descargarse 4kW h hasta la 1:30PM y volver a cargar otros 1,89kW h adicionales hasta las 4:30PM. Esto significa que, en este caso, la forma de almacenar
esa energı́a es por medio de una baterı́a que supere los 5,26kW h de capacidad
de carga disponible que se da para el valor máximo.
De este análisis, se infiere también el resultado de la demanda suministrada por la red eléctrica nacional durante el dı́a. Esta consiste en la potencia
demandada antes de que la baterı́a se empiece a cargar y después de que se
descarga.
En la figura 3.4 se puede observar en la lı́nea verde de ambas gráficas la
interacción de la red eléctrica nacional para el ejemplo dado. En la gráfica
de potencia, se observa los intervalos en los que se demanda potencia de la
red, mientras que en la gráfica de demanda, se puede observar claramente la
cantidad de energı́a demandada al final del dı́a de la red.
3.2. Caso con todas las fuentes de energı́as renovables estudiadas
31
Figura 3.4: Potencia requerida de la red eléctrica nacional por la casa en el
transcurso del dı́a
De acuerdo a los datos mencionados previamente acerca de la diferencia
entre la energı́a consumida durante el dı́a con respecto a la energı́a producida
por el panel solar, se comprueba de esta forma, que en efecto son 11,3kW h la
energı́a demandada a la red eléctrica nacional para poder suplir la potencia
inmediata durante el transcurso del dı́a modelado.
Al comparar este dato con los 29,65kW de la energı́a consumida por la casa
durante el dı́a, se entiende que el panel junto a la baterı́a está proveyendo el
61,8 % de tal energı́a, que es un porcentaje significativo, pero con campo de
mejorı́a por medio de las otras fuentes de energı́as renovables estudiadas.
3.2
Caso con todas las fuentes de energı́as
renovables estudiadas
A partir de la explicación del caso inicial con el panel solar como única fuente
de microgeneración, se presenta el caso en el que se presentan todas las fuentes
32
3 Análisis energético para autonomı́a
de energı́a renovable estudiadas con su generación en un dı́a.
Ası́, se añaden los siguientes métodos de generación de acuerdo al análisis
técnico e investigación realizada en el capı́tulo anterior del presente documento:
ˆ Dos turbinas eólicas modelo Air X de Southwest Windpower con
potencia nominal de su generador de 400W cada una y tensión de salida
24V.
ˆ Un generador Pedal-A-Watt con potencia nominal 400W y tensión
de salida 12V.
ˆ Una turbina microhidráulica con generador de imán permanente con
potencia nominal de 1200W y tensión, modelo BE de PowerSpout.
Por tanto, se trabaja bajo los supuestos que la ubicación de la casa modelo
es tal que se encuentra cercana a un rı́o con caudal constante para el aprovechamiento de la turbina microhidráulica. De igual forma se presentan las
condiciones de viento suficientes como para generar por medio de las turbinas eólicas durante lapsos del dı́a. También se toma en cuenta que en la casa
hay una persona que de 6:30PM a 7:10PM utiliza su bicicleta como forma de
generación y ejercicio.
Se toman todas las condiciones previstas anteriormente y se hace el estudio
de todas las fuentes de generación mencionadas actuando en el transcurso del
dı́a de acuerdo a sus modelos de generación. Se entiende por los datos de los
sistemas modelados, que la capacidad de generación máxima es la del panel
solar instalado, mientras que la capacidad de generación mı́nima es la del
generador de la bicicleta por medio de esfuerzo humano.
En la figura 3.5 se presentan las curvas de potencia durante el dı́a, graficadas con valores medidos cada 5 minutos. Las curvas más gruesas son las
de potencia consumida y potencia generada total. Esta curva de potencia generada total es la suma de todas las curvas de cada una de las fuentes de
generación: solar, eólica, microhidráulica y por esfuerzo humano. Además se
representan los puntos de intersección como cı́rculos negros donde los valores
de potencia generada y potencia consumida tienen la misma magnitud.
3.2. Caso con todas las fuentes de energı́as renovables estudiadas
33
Figura 3.5: Curva de potencia de una vivienda con fuentes de energı́a renovable
De esta forma se puede realizar el mismo análisis hecho previamente en
la sección anterior para el caso de generación únicamente con el panel solar
fotovoltaico. Se entiende que la fuente más constante de generación durante el
dı́a es la de la turbina microhidráulica que genera a partir del caudal del rı́o
cercano a la casa modelo. Esta se representa por medio de la lı́nea amarilla
punteada y se da a través de todo el dı́a. Por otro lado la fuente de generación más reducida, tanto en magnitud como tiempo se trata de la generación
por medio de esfuerzo humano con la bicicleta conectada al generador. Sin
embargo, se observa claramente como el panel solar sigue siendo la fuente de
generación predominante para el modelo diseñado. Esto se entiende que puede variar de acuerdo a las caracterı́sticas y potencial de generación de cada
casa, y la potencia nominal de los generadores comprados para cada una de
las fuentes de generación.
Ahora bien, al calcular la energı́a consumida respecto a la generada, se
obtiene que en este caso se genera más de lo que se produce. Integrando la
curva azul de la potencia consumida, obtenemos que la energı́a consumida es
de nuevo 29,6542kW h mientras que al integrar la curva de potencia generada
total, se obtiene un valor de energı́a generada de 42,0653kW h. Esto significa
que de tener una baterı́a con una capacidad de almacenamiento mayor al
pico de carga máxima de la diferencia entre lo generado con lo consumido,
estarı́a sobrando energı́a y quedarı́a almacenada al final del dı́a. Esto se puede
observar en la figura 3.6.
34
3 Análisis energético para autonomı́a
Figura 3.6: Curva de energı́a de una vivienda con fuentes de energı́a renovable
Se puede observar de esta figura que la carga máxima a diseñar la baterı́a
es de 17,87kW h. Esto significa que se requiere que el módulo de baterı́as se
ajuste a esta carga si no se desea perder energı́a. Por otro lado se obtiene que
la carga al final del dı́a es de 13,02kW h. Esto significa que existe un superávit
en la generación al final del dı́a que queda para el dı́a siguiente.
Una de las maneras en las que se puede aprovechar esta energı́a que en este
momento es sobrante, es mediante la introducción de un carro eléctrico a las
posibles cargas de la casa. Por lo tanto, se plantearı́a que, durante las noches
se aproveche la carga sobrante en el banco de baterı́as de almacenamiento
principal de la casa para cargar la baterı́a del carro eléctrico. Se observa que
usualmente, las baterı́as de los carros eléctricos se manejan en un rango entre
25kW h y 85kW h lo que significarı́a que de todas formas se requerirı́a utilizar
la red para cargarla.
3.2. Caso con todas las fuentes de energı́as renovables estudiadas
35
Figura 3.7: Curva de energı́a de una vivienda con fuentes de energı́a renovable
cargando una baterı́a de carro eléctrico a partir de las 9:30PM
En la figura 3.7 se puede observar como se introduce la variable de poner a
cargar la baterı́a de un carro eléctrico. Se observa como, al agregar una carga
con una potencia nominal de 5kW a partir de las 9:30PM al sistema de la
casa, consume toda la energı́a almacenada en la baterı́a hasta media noche.
Por lo tanto son 12,5kW h lo que se puede cargar la baterı́a del carro eléctrico
a partir de las fuentes renovables.
Se entiende por lo tanto que para el presente modelo no se genera la suficiente energı́a para introducir una carga tan grande al sistema eléctrico de la
casa como lo es un carro eléctrico. Sin embargo, si se maximiza la generación
de acuerdo a las capacidades de la casa en la que se diseña, y se es consciente
de las costumbres de consumo por medio de los usuarios, se pude pensar en ser
tan autosuficiente que hasta el modo de desplazamiento por medio de carros
eléctricos se pudiera sostener con la generación de fuentes de energı́a limpias.
36
3.3
3 Análisis energético para autonomı́a
Caso con un banco de baterı́as limitado
Hasta este punto, se ha hecho el estudio considerando que las baterı́as utilizadas en la casa no tienen un lı́mite de carga máximo. Es conocido, sin embargo,
que esto no es real. Por ese motivo, cuando introducimos una baterı́a real como la estudiada baterı́a AHI, nos damos cuenta el compromiso de capacidad
de carga / precio que se debe hacer.
De acuerdo a las especificaciones del fabricante de dicha baterı́a, se considera la lı́nea del banco de baterı́as S que tiene 12 unidades de almacenamiento
con salida 48V y una carga aproximada de 14kW h.
Esto resultarı́a en una gráfica de carga de baterı́a, bajo las mismas condiciones del caso anterior, como se observa en la figura 3.8.
Figura 3.8: Curva de energı́a de una vivienda con fuentes de energı́a renovable
A diferencia de la figura 3.6 podemos observar como al llegar a la carga
máxima de 14kW H, la baterı́a llega a su estado de 100 % y no carga más
hasta que se descargue por debajo de ese nivel.
Esto involucra una nueva variable en el propósito de diseñar las casas bajo
3.3. Caso con un banco de baterı́as limitado
37
el modelo desarrollado en este proyecto. Siendo las baterı́as un punto económico importante en la inversión necesaria para hacer realidad una vivienda
con esta distribución de potencia, se debe hacer una relación costo-beneficio
para decidir la capacidad de la baterı́a que cada usuario quisiera comprar de
acuerdo a su capacidad de generación y su necesidad de almacenamiento.
4 Configuración del sistema de
distribución
En este capı́tulo se explica el diseño del sistema de distribución de potencia
del modelo de la casa con el que se trabaja. Por tanto y posteriormente se
propone una constitución básica del usuario
4.1
Diseño del sistema de distribución de potencia
Este modelo está conectado con la entrada de la red de distribución a 240 AC e
integra las fuentes de energı́a renovable presentadas previamente. El diagrama
unifilar de ese modelo se puede observar en la figura 4.1.
Figura 4.1: Diagrama unifilar del modelo de la casa en DC
En este diagrama se presentan tanto el sistema de potencia de la casa, como
el sistema inteligente que actúa como el tablero de distribución de potencia
que controla las cargas y generación de la casa.
39
40
4 Configuración del sistema de distribución
4.1.1
Sistema de potencia
La figura 4.1 presenta los bloques de entrega de potencia que se están en la
parte superior del bus central de 400VDC . Aquı́ se identifican las fuentes de
energı́a renovable estudiadas en este trabajo con su tipo de generación:
ˆ Panel Solar Fotovoltaico en DC con salida de 48V .
ˆ Generador de Turbina Eólica en AC con rectificador a DC con salida de
24V .
ˆ Generador por Biomasa en AC con rectificador a DC con salida de 24V .
ˆ Generador Microhidráulico en AC con rectificador a DC con salida de
48V .
ˆ Generador por Esfuerzo Humano en AC con rectificador a DC con salida
de 12V .
Esto significa que entre cada bloque de generación por medio de energı́as
renovables debe existir un paso intermedio, que consiste en un convertidor
DC/DC. Este convertidor eleva la tensión de salida del bloque de la fuente de
generación a la tensión del bus central que es de 400VDC .
Por otro lado se tiene la baterı́a como un bloque de almacenamiento en el
que se tiene una configuración bidireccional. Por tanto la baterı́a se carga y
descarga de acuerdo a la constitución del usuario para el continuo funcionamiento del sistema de potencia del bus.
Es la intención que el modelo de la casa diseñado tenga un sistema de
conexión al bus central independiente a si lo conectado es una carga o es un
generador. Por ese motivo, se plantean que estos convertidores DC/DC sean
convertidores bidireccionales. Esto significa que el convertidor reconoce el tipo
de entrada que tiene, y de acuerdo a eso eleva su voltaje para sincronizar con
el bus central a 400VDC para el caso de un generador, o caso contrario toma los
400VDC del bus central como la entrada y reduce esa tensión para alimentar
la carga conectada.
Finalmente, se propone tener ultracapacitores conectados al bus de distribución central. Esto con el objetivo de tener un elemento de almacenamiento
que reaccione ante cambios repentinos en la potencia demandada y de esta
forma darle más estabilidad al sistema.
4.1.2
Control de distribución de potencia
Considerando que el concepto de red inteligente para un bus en DC no se ha
desarrollado, se propone un nuevo modelo de red de distribución inteligente.
Cada uno de estos bloques se entiende como un interruptor, en el que el control
4.2. Constitución básica del usuario
41
que hace es únicamente si está encendido o apagado, conectado o desconectado
del bus central de 400VDC .
Figura 4.2: Sistema de control de seguridad de la red
Este sistema propone que en lo que consideramos como el interruptor de
cada una de las cargas o métodos de inyección de potencia a la red, se establezca una red de comunicación distribuida. La red se encargarı́a de decidir,
de acuerdo al estado inmediato de la relación consumo-generación del sistema,
si cada uno de los sistemas esta conectado o no al bus central.
Por tanto, este sistema nos provee de un tipo de constitución del usuario
en sentido que él puede decidir cual es el orden de prioridad de generación
en el sistema. La interfaz con el usuario serı́a el ordenador donde se refleja el
funcionamiento general del sistema, y se puede dar comandos para decidir que
bloques están conectados o no al bus. En el sentido real de la práctica, tomarı́a
el rol que toman los tableros actualmente, incluso con las protecciones
Aquı́ se propone que estos interruptores sean transistores MOSFET de
potencia que funcionen como switches, lo que brindarı́a la ventaja de que
ante sobrecargas en el sistema, o una falla de funcionamiento, los MOSFET
desconecten la carga y sirva como una protección, únicamente necesitando
remplazar el MOSFET quemado posteriormente.
4.2
Constitución básica del usuario
Se considera el funcionamiento inicial del sistema de control de potencia bajo
un sistema programado bajo estados de funcionamiento definidos.
42
4 Configuración del sistema de distribución
Figura 4.3: Diagrama de bloques con la configuración inicial para la distribución de potencia de acuerdo a lo generado y consumido.
El diagrama de bloques de la figura 4.3 se desarrolla a partir de las condiciones de potencia generada, potencia consumida y estado de carga de la
baterı́a. Esto es de acuerdo a las condiciones presentes en el capı́tulo 3 del
presente trabajo. Por lo tanto, las transiciones de estados ocurren ante los
siguientes casos:
ˆ Pgen > Pcons : Potencia generada total es mayor a la potencia consumida
por las cargas de la casa.
ˆ Pcons > Pgen : Potencia consumida por las cargas de la casa es mayor a
la potencia generada total.
ˆ Emax en baterı́a: La baterı́a se encuentra cargada por completo.
ˆ E = 0 en baterı́a: La baterı́a se encuentra descargada por completo.
A partir del diagrama de bloques considerando los estados se entiende que
hay un punto en el que si la baterı́a se encuentra totalmente cargada, debe
haber una constitución personal del usuario en cuanto a las prioridades de
apagado de las fuentes de generación. Se hace una propuesta inicial para la
constitución básica del usuario en la tabla 4.2 de acuerdo a las prioridades
consideradas después del estudio de las fuentes propuestas.
4.2. Constitución básica del usuario
Estado
Baterı́a Descargada
Consumiendo de la Red
Descargando Baterı́a
Cargando Baterı́a
Apagar Generación Humana
Apagar Generación por Biomasa
Apagar Generación Eólica
Apagar Generación Microhı́drica
Apagar Panel Solar
43
Codificación
a b c d
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
1 0 0 0
1 1 0 0
1 0 1 0
1 0 0 1
1 0 1 1
1 1 1 0
Cuadro 4.1: Tabla de Estados para la constitución básica del usuario
De la tabla 4.2 se observan los estados generales:
ˆ Baterı́a Descargada
ˆ Consumiendo de la Red
ˆ Descargando Baterı́a
ˆ Cargando Baterı́a
Estos estados son los estados básicos que se consideran fundamentales para
el funcionamiento óptimo del sistema. A partir de ahı́, los siguientes estados
consisten en apagar fuentes de generación que depende de las decisiones del
usuario.
Las decisiones con el orden de prioridad para apagar cada una de las fuentes
antes o después se toman debido a las siguientes consideraciones:
ˆ La generación humana funciona como forma de ejercitarse y se considera
que la capacidad de generación que tiene no puede influir en gran manera
sobre la potencia demandada por el sistema.
ˆ La generación por biomasa es un método que depende del usuario el
momento en el que se genera o no. Por lo tanto, un sistema deberı́a considerar no estar generando por biomasa en las horas en las que la fuente
de generación primaria, en nuestro caso el panel solar, está generando
en su capacidad máxima.
ˆ Tanto la generación eólica como la microhı́drica están conformadas por
un sistema de generación cuya rotación y posterior generación, no dependen de las decisiones del sistema y no involucran un mantenimiento
44
4 Configuración del sistema de distribución
mayor que el planificado. Por lo tanto, se plantea que mientras estén funcionando, no hay necesidad de apagarlas a excepción de casos de fuerza
mayor.
ˆ La capacidad de generación del panel solar se debe aprovechar siempre
que este su fuente entregándole energı́a. No se quiere desperdiciar la
generación del panel solar durante las horas limitadas que éste genera.
El diagrama de bloques bajo estas condiciones se puede observar en la
figura 4.4.
Figura 4.4: Diagrama de bloques final con la configuración inicial para la
distribución de potencia de acuerdo a lo generado y consumido.
A partir de esta tabla y con las condiciones de transición de estados, se
desarrolla una vez más la importancia que tiene que la generación por medio
de las fuentes de energı́as renovables propuestas no tiene a todas las fuentes
aquı́ consideradas como obligatorias. Se trata de un modelo escalable, con consideraciones de la casa de acuerdo a sus condiciones, prioridades y capacidad
adquisitiva. Por lo tanto se plantea que en la misma interfaz gráfica considerada previamente, sea el usuario quien pueda definir cuales son las condiciones
de funcionamiento que considera prioritarias.
5 Conclusiones y
Recomendaciones
Al ser una propuesta novedosa, este proyecto pretende impulsar el desarrollo de
el modelo de una casa con sistema eléctrico en DC como el futuro del diseño
eléctrico residencial en cualquier lugar del mundo. Por tanto, se considera
el estado de la tecnologı́a actual, y el avance que se da cada dı́a en temas
de eficiencia de generación de fuentes de energı́as renovables y métodos de
almacenamiento como una plataforma para un cambio de mentalidad en la
forma en la que se maneja la generación, transmisión, distribución y consumo
de la energı́a eléctrica globalmente.
Las fuentes de generación por energı́a renovable son la solución energética
del futuro, pero si no se hace un diseño técnico adecuado, las empresas de
distribución requerirı́an un respaldo posiblemente de combustibles fósiles para
satisfacer los picos de demanda, además que tendrı́an un proceso muy difı́cil
para controlar la calidad de la energı́a. Por tanto, el ahorro energético y reducción de quema de combustibles no se verá mejorado como se espera. Por lo
tanto es fundamental el estudio técnico y propuesta presente en este trabajo.
5.1
Conclusiones
ˆ Con un estudio actualizado de la tecnologı́a actual para generación por
medio de paneles solares y generadores eólicos, se hace notar que ante la
gran predisposición que existe actualmente por estos métodos de generación, su uso se puede ver maximizado al hacer el sistema de distribución
de potencia de la vivienda en DC.
ˆ El sistema propuesto tiene la caracterı́stica de ser un modelo de generación escalable por lo que se adaptará al cambio en las costumbres de
consumo energético y producción propia.
ˆ Se promueve mediante el ejemplo, cambiar la cultura de consumo al
considerar el uso de la energı́a. Especialmente pensando en el sistema de
generación humana, se puede entender como ante un esfuerzo fı́sico de
hacer girar un generador eléctrico, la energı́a generada es de apenas un
1.3 % de la energı́a consumida en el transcurso del dı́a.
45
46
5 Conclusiones y Recomendaciones
ˆ Se propone el método de almacenamiento de última tecnologı́a de baterı́as con materiales más económicos, eficiencias de 85 % al igual que las
de litio-ión, capacidad de carga modular y vida útil de 9 años con uso
diario. Al utilizar estas baterı́as, se modelan gráficas de carga y descarga
que tendrı́an durante un dı́a en especı́fico para un caso modelo.
ˆ El uso de un ultracapacitor conectado al bus central de distribución de
potencia de la casa brinda estabilidad al sistema de distribución al actuar
de manera inmediata a cambios repentinos de potencia demandada y
darle mayor regulación de tensión al sistema.
ˆ Con un sistema de control de distribución de potencia no centralizada,
se aprovechan las caracterı́sticas de las fuentes de energı́a renovables y se
podrı́a permitir tener una interfaz gráfica en la que se tiene un registro
de datos de generación de cada una de las fuentes. También se tiene
la capacidad de decisión para encender o interrumpir la entrega de la
generación que puede dar cada fuente de acuerdo a las prioridades del
usuario.
ˆ Con un rectificador con factor de potencia unitario a la entrada y la
baterı́a, para la empresa suministradora de energı́a cada casa se comportarı́a como una carga resistiva con una distribución de potencia a lo
largo del dı́a mucho más uniforme que en la actualidad. Esto lo hace
muy uniforme, fácil de controlar y fácil de predecir y se convierte en una
gran ventaja para la calidad de la energı́a y para la gestión de potencia
en tiempo real.
5.2
Recomendaciones
ˆ Ampliar el alcance técnico del proyecto con el propósito de crear un plano
eléctrico del modelo de la vivienda, con las especificaciones de acometida, bus de distribución central de 400VDC , inclinación de la planta de
techos para optimización de generación solar fotovoltaica, entre otras
consideraciones importantes.
ˆ Estudiar la viabilidad técnica de implementar un sistema multi-agente
con inteligencia artificial como el sistema de algoritmo con aprendizaje de
cada etapa de los controladores del sistema de distribución de potencia.
ˆ Desarrollar el sistema de control del bus central de distribución de potencia de la casa para asegurar un rango de tensión de funcionamiento
de acuerdo a lo estudiado. Establecer un porcentaje de desviación permitido de los 400VDC y tomando en cuenta los convertidores DC-DC
5.2. Recomendaciones
47
diseñados, diseñar un control que garantice que el bus de distribución se
mantenga en ese rango.
ˆ Crear un modelo fı́sico de la vivienda y de esta forma alcanzar a más
personas que puedan considerar utilizar esta tecnologı́a en sus casas.
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http://www.energy.gov.
Imagen obtenida el 20 de octubre de
[17] R. C. Bansal F. Rodriguez y A. Emadi S. Lukic, J. Cao. Energy storage
systems for automotive applications. vol. 55(num. 6):pp 2258–2267, Junio
2008.
[18] Bhagawati Solar. Imagen obtenida el 20 de octubre del 2014 de
http://www.bhagawatisolar.com/.
[19] Cuba Solar.
Imagen obtenida el 13 de setiembre de:
http://www.cubasolar.cu/Biblioteca/Energia/Energia57/IMAGES/F1.gif,
2014.
[20] Go Green Solar.
Imagen obtenida el 6 de diciembre de
http://www.gogreensolar.com/products/4000w-complete-solar-panelkit-enphase-microinverter, 2014.
[21] Solargis. Global horizontal irradiation (ghi) costa rica. Technical report,
Solargis © 2014 Geo Model Solar, 2014.
[22] L. Söder T. Ackerman, G. Anderson. Distributed generation: A definition.
Electric Power Systems Research, 57, 2001.
[23] Toni Helmut Weigl. Analysis of the technical potential and profitability of photovoltaic in costa rica. Master’s thesis, Technische Universität
München, Enero 2014.
[24] Peter Würfel. Physics of Solar Cells: From Principles to New Concepts.
Wiley-VCH, Weinheim, 2009.
A
Anexos
A.1
Código de MATLAB para análisis de carga de
baterı́a
A.1.1
Sólo solar
clc
clear
%Se cargan los vectores:
load('PAv8.mat'); %Potencia consumida
load('PSol.mat'); %Potencia generada por el panel solar
Pgen= PSol;
Pcons=PAv8*1.25;
dif = Pgen - Pcons; %diferencia: generada - consumida
%Se le da formato de horas al eje x
n = length(Pcons);
year = 2014 * ones(1,n);
month = 4 * ones(1,n);
day = 18 * ones(1,n);
load('horasyminutos.mat');
xdate = datenum(year,month,day,hour,minutes,minutes);
b(1)=0;
for i = 2:n
b(i) = b(i-1)+(trapz([dif(i-1) dif(i)])/12);
b = (b + abs(b)) / 2;
end
m=zeros(288,1);
for j=1:n
if b(j)==0
m(j)=-dif(j);
else
m(j)=0
end
end
51
52
A Anexos
%Se asigna un vector para la carga de la batería. Si es menor que
%cero, la batería está descargada entonces se le da valor cero.
m2(1)=0;
t2(1)=0;
for k = 2:n
m2(k) = m2(k-1)+(trapz([m(k-1) m(k)])/12);
t2(k) = t2(k-1)+(trapz([PAv8(k-1) PAv8(k)])/12);
end
%Se despliegan las áreas totales
areaCons = trapz(Pcons)/12 %kWh totales consumidos
areaGen = trapz(Pgen)/12 %kWh totales generados
%Se encuentran los puntos de intersección
[x0,y0] = intersections(xdate,Pcons,xdate,Pgen,1)
%Graficamos
subplot(2,1,1)
plot(xdate,Pcons,xdate,PSol,'y',x0,y0,'ok',xdate,m,'g');
datetick('x','HHPM', 'keeplimits')
ylabel('Potencia (kW)')
subplot(2,1,2) %Carga de la batería en kWh
plot(xdate-xdate(1),b,'r',xdate-xdate(1),m2,'g',xdate-xdate(1),t2)
datetick('x','HHPM', 'keeplimits')
xlabel('Hora del día')
ylabel('Energía (kWh)')
legend('Carga de la batería')
A.1.2
Todas las fuentes de generación
clc
clear
%Se cargan los vectores:
load('PAv8.mat'); %Potencia consumida
load('PSol.mat'); %Potencia generada por el panel solar
load('e1.mat'); %Potencia generada por el generador eólico
load('hum.mat');
load('mh.mat');
load('carro.mat');
Pgen= e1'+PSol+hum+mh;
Pcons=PAv8+carro;
A.1. Código de MATLAB para análisis de carga de baterı́a
dif = Pgen - Pcons; %diferencia: generada - consumida
%Se le da formato de horas al eje x
n = length(Pcons);
year = 2014 * ones(1,n);
month = 4 * ones(1,n);
day = 18 * ones(1,n);
load('horasyminutos.mat');
xdate = datenum(year,month,day,hour,minutes,minutes);
%Se asigna un vector para la carga de la batería. Si es menor que
%cero, la batería está descargada entonces se le da valor cero.
b(1)=0;
for i = 2:n
b(i) = b(i-1)+(trapz([dif(i-1) dif(i)])/12);
b = (b + abs(b)) / 2;
end
%Se encuentran los puntos de intersección
[x0,y0] = intersections(xdate,Pcons,xdate,Pgen,1);
%Se despliegan las áreas totales
areaCons = trapz(Pcons)/12 %kWh totales consumidos
areaGen = trapz(Pgen)/12 %kWh totales generados
%Se grafica
subplot(2,1,1)
plot(xdate,Pcons,xdate,Pgen,'m',xdate,PSol,'y',xdate,e1,'c',
xdate,mh,'--y',xdate,hum,'g',x0,y0,'ok') %Potencias en kW
datetick('x','HHPM', 'keeplimits')
ylabel('Potencia (kW)')
subplot(2,1,2)
plot(xdate-xdate(1),b,'r') %Carga de la batería en kWh
datetick('x','HHPM', 'keeplimits')
xlabel('Hora del día')
ylabel('Energía (kWh)')
legend('Carga de la batería')
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