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Optimización de las energías renovables en una vivienda



Resumen. – En la redacción de este artículo, básicamente se realiza un análisis de las diferentes energías renovables existentes para una vivienda, a estas energías son clasificadas por sus diferentes características, cada una de estas energías presentaran diferentes ventajas y desventajas de acuerdo a diferentes circunstancias, las cuales se analizan para tener una optimización en este tipo de energías, para lograr esto se analizan distintas alternativas, actualmente existen muchas tecnologías que ayudan a tener un sistema automatizado garantizando una buena calidad de energía, es necesario el análisis de las distintas viviendas pues todas tienen características diferentes, con este análisis se logra una mejor calidad de energía garantizando así la máxima eficiencia logrando así una energía renovable muy eficiente .

Palabra Claves: Energía, fotovoltaica, eólica, optimización.

Introducción

En el mundo actual con el avance de la tecnología, se ha visto necesario mejorar las tecnologías de producción de energía eléctrica para los hogares, pues al existir diferentes alternativas lo suficientemente capaces de alimentar de energía eléctrica a hogares comunes, es necesario optimizar la energía obtenida por procesos como la energía eólica o fotovoltaica las cuales son renovables, es posible tener un sistema hibrido el cual permite tener un menor gasto en cuento al consumo de energía normal, ya que al optimizar la energía generada por fuentes renovables y la obtenida de la red eléctrica se podrán tener mejores beneficios en cuento al consumo pues existen sistemas los cuales alternan entre la energía producida por fuentes renovables y la que se obtiene de la red eléctrica, es importante tomar en cuenta la ubicación de la vivienda pues dependerá de las características climáticas que tenga la ubicación.

Energias renovables

En el mundo actual las energías renovables son sinónimo de fuentes de energía limpias, prácticamente inagotables y de crecimiento competitivo, a diferencia de los energías que son generadas por combustibles fósiles, los cuales producen gases de efecto invernadero los cuales son en su mayoría causantes del cambio climático. Los costos de la inversión en estos sistemas se ven reflejados a largo plazo. [1]

Actualmente el crecimiento de las energías renovables es imparable, pues diferentes análisis realizados por agencias relacionadas con la producción de energía eléctrica , en donde se demuestra que prácticamente desde el año 2015 las energías renovables representan casi la mitad de la mitad de la producción energética a nivel mundial. [2] [3]

Beneficios de las energías renovables

La generación de energías renovables, como la generación de energía eléctrica atreves de la energía eólica, pueden generar costos altos en la implementación a diferencia de las energías convencionales, sin embargo este tipo de energías , eliminan el gasto de combustibles , pues estos sistemas aprovechan combustibles generados de forma natural en este caso el viento, las generación de energía eléctrica de forma convencional está ligada a combustibles fósiles lo que representan gastos, los únicos gasto que representarían estas energías serían los costos por mantenimiento los cuales en la mayoría de casos son mínimos.

Este tipo de energías reducen la dependencia energética, pues este tipo de energías reduce la importación o producción de combustibles fósiles lo que resulta favorable para la economía de un país reduciendo así gastos. [4]

Tipos de energias renovables

El tema de las fuentes de energías renovables ha tenido un gran impacto en el mundo en los últimos años, dando como una opción segura y optima a la producción de energía para el consumo humano. A elección tenemos una gran variedad, pero sobre todo y accesibles para el hogar están:

Energía Fotovoltaica

Este tipo de energía se obtiene básicamente de la energía producida por el sol, este tipo de energía ingresa a paneles solares que están fabricados por silicio, pues este material es bastante eficiente, tienen un rendimiento entre el 14% y 17%, para los sistemas de concentración se usan materiales que logran formar multinuiones, y logran aumentar el rendimiento llegando a valores entre el 25% y el 30%.

La energía producida por el sol la cual está compuesta por fotones, estos fotones existan a las células fotovoltaicas de la plancha o placa, logrando crear un campo de energía eléctrica, entonces se puede decir que mientras más energía solar se proporciona más anergia eléctrica se obtiene. [5]

La energía producida por las células está en forma de corriente continua, la cual en la mayoría de casos es transformada a corriente alterna.

Se usa un dispositivo de transformación, este dispositivo es básicamente un inversor, el cual transforma la energía producida por las fotocélulas y las convierte en energía consumible. [6]

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Figura.1. Producción de energía fotovoltaica

Fuente de energía Eólica.

El principio de generación de esta fuente de energía es muy simple y sin impacto ambiental, su funcionamiento consiste en la fuerza cinética del viento aplicada hacia un aerogenerador, el cual reacciona con la fuerza ejercida del viento provocando que sus palas empiecen a moverse, originando un movimiento circular el cual produce una energía eléctrica que bien puede ser almacenada o usada para el consumo del hogar. [7]

El uso de este tipo de fuente de energía es muy amigable con el medio ambiente, ya que al depender en su totalidad del viento no produce ningún tipo de sustancias toxicas ya sea para el ecosistema ni en el aire. Una gran ventaja de este tipo es ser una de las fuentes inagotables y rentables, su uso podría innovar todo el sistema energético y así no depender de fuentes de energía como los combustibles fósiles y mucho menos de plantas nucleares.

Al reducir la dependencia energética, se observaría un menor impacto ambiental, evitando así la producción innecesaria de gases tóxicos por la combustión de los combustibles fósiles.

En los últimos años se ha observado un reducimiento de los costos ya sea del equipo y la instalación de sistemas eólicos, haciéndolos más accesibles para la población, con el objetivo de generar una mayor concientización hacia el cuidado del medio ambiente.

Al implementar este tipo de fuente generaríamos empleos y una mayor concientización hacia el medio ambiente, trayendo con ello uno menor dependencia de la importación energética del extranjero. [8]

En la implementación del sistema eólico, en un principio será imposible observar el aporte de energía necesario para cubrir la demanda que hoy en día cubren los sistemas convencionales, siendo que con el pasar del tiempo y la implementación de mejoras a los sistemas eólicos se ira optimizando su rendimiento.

Su generación es depende en sus totalidad del medio ambiente en el que esté sometido, siendo una fuente de energía secundaria o complementaria, sin embargo su uso disminuye el impacto ambiental. [9]

Observando desde una perspectiva de menor escala, la implementación de un Eolo de baja potencia en un hogar sería muy rentable, aprovechando la no generación de contaminantes ambientales por este. Siendo capaz nuestro sistema de depender menos de la red eléctrica disminuyendo su uso hasta en un 50%. Aprovechando el ambiente de lugares remotos y evitando la inversión costosa y tediosa de los tendidos de redes eléctricas hacia lugares remotos. Su generación de energía abastecería la demanda de un hogar incluyendo iluminación, el consumo de electrodomésticos, calefacción y sistemas de riego, sin la mayor dependencia de la red eléctrica local, con un impacto positivo en la economía del usuario hacia las tarifas de consumo del servicio eléctrico. [10]

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Figura.2. Producción de energía eolica

Optimización de las energias renovables

Para lograr la optimización de este tipo de energía se dividen en dos sistemas.

Un sistema físico que básicamente está compuesta por un subsistema de una alimentación interrumpida, que se encuentra conectado en tipo línea. A este sistema también se le llama sistema SAI, este sistema se configurara de manera que este en función de la potencia que consume la vivienda en donde se implementara este sistema.

Al sistema SAI se compone de:

Esta etapa está compuesto por un puente trifásico el cual contiene 2 diodos la cual rectifica a la energía alterna de Hz a una corriente continua.

Para lograr almacenar energía eléctrica esta se tiene que almacenar en su forma continua, la cual se almacena en baterías que las cuales varían dependiendo las diferentes capacidades.

La energía que normalmente es usada en las viviendas es de forma alterna, por eso es necesario la transformación de la energía almacenada en forma continua a su forma alterna.

Los diferentes parámetros que componen el sistema son controlados mediante un sistema estándar. [11] [12]

Subsistema de red eléctrica local

El cual está compuesto por los diferentes parámetros dados por la empresa que se encarga de proporcionar energía a los diferentes hogares.

Subsistema de alimentación

Este sistema está compuesto básicamente por el sistema que realiza la producción de la energía eléctrica.

a) Paneles fotovoltaicos

Estos paneles serán dimensionados de manera que se encuentren de acuerdo a las características de la vivienda.

b) Instrumentación de medida

Estos instrumentos servirán para realizar un control de la energía generada

c) Sistema de adaptación

Este sistema se encarga de adaptar la tensión y además de eso regula la corriente que se entrega al sistema SAI. [13] [14]

Sistema Lógico

A este sistema el cual está compuesto por algoritmos de optimización los cuales están relacionados con la supervisión, el control y la gestión los cuales se encuentran implementados en computador.

El software está compuesto por paquetes de aplicaciones relacionados con Scada, estos paquetes pueden ser controlados fácilmente por computadores convencionales.

El Hardware el cual principalmente está compuesto por un computador, al cual se le implementan tarjetas procesadoras, estas tarjetas captan las diferentes señales de entrada y de salida logrando así un control del sistema. [15]

Algoritmo de optimización

En este caso se implementa un sistema DSM este tipo de algoritmo básicamente reduce las puntas de consumo, logrando así aumentar la eficiencia de la energía en la vivienda, es decir este algoritmo calcula el valor exacto de energía que se debe suministrar a ña vivienda ´para reducir la potencia consumida desde la red eléctrica, a si se logra la máxima eficiencia y el menor consumo de energía eléctrica. [16]

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Figura.3. Distribución de la energía fotovoltaica

Al ser la energía eólica uno de los principales métodos para producir energía eléctrica de manera renovable, se tienen diferentes métodos de optimización de este sistema de producción de energía.

Se tiene que tomar en cuenta diseños de diferentes planos aerodinámicos de las hélices, pues es muy importante tener en cuenta las características aerodinámicas deseables para palas de turbina eólica puede dividirse en estructural y aerodinámico. En cuanto a la turbina- viento hoja, características diferentes que son importantes en la raíz, media y punta. La parte de la raíz se determina principalmente de estructural consideraciones, mientras que la parte de la punta se determina las consideraciones para la aerodinámica. Los parámetros estructurales más importantes son el espesor máximo de perfil aerodinámico y la ubicación del ala.

El espesor de perfil aerodinámico debe ser capaz de proporcionar la fuerza requerida resistencia y rigidez. La ubicación de la hoja también es importante para garantizar la compatibilidad; con el fin de permitir que el mástil pase a través de la hoja.

Es importante tener en cuenta los efectos producidos por el rotor y sus diferentes componentes, los cuales están compuestos por el cubo, tren de transmisión, controlador, góndola y torre. [17] [18]

Herramientas de software de optimización del sistema

Existen sistemas capaces de optimizar sistemas híbridos en donde los convertidores convencionales y las calderas. Las cargas pueden ser AC, DC, Los sistemas híbridos pueden

Incluyen tres tipos de cargas eléctricas, varias turbinas eólicas, el almacenamiento de baterías y cuatro tipos de dispositivos de conversión de energía.

Las cargas pueden ser cargas de CA, CC y / o hidrógeno. El sistema permite la simulación que se lleva a cabo usando intervalos de 1 hora. [19] [20]

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Figura.4. Distribución de la energía eolica

Luego de determinar los diferentes factores que ayudan a la producción de energía mediante fuentes renovables, se analizan los diversos métodos para generar un sistema optimo que ayudara a la producción de energía eléctrica logrando así la reducción de costos y su máxima eficiencia creando sistemas híbridos, es decir lograr alternar entre la energía obtenida de la red eléctrica y la que se produce por las energías renovables, es impórtate tener en cuenta la potencia que se genera en una vivienda ya que de esto dependerá la adaptación y configuración del sistema, actualmente existen muchos sistemas los cuales ayudan a contribuir con la reducción de consumo de combustibles fósiles reduciendo la contaminación, pues los sistemas de energía mediante fuentes renovables no necesitan combustible.

Bibliografia y refencias

[1] S. Dhople, S. Guggilam, and Y. Chen, "Linear approximations to AC power flow in rectangular coordinates," in Proc. of 53rd Annual Allerton Conf. on Commun., Control, and Comp., Monticello, IL, Oct. 2015

[2] X. Ma and N. Elia, "A distributed continuous-time gradient dynamics approach for the active power loss minimizations," in Proc. of 51st Annual Allerton Conf. on Commun., Contr., and Comp., UIUC, IL, USA, Oct. 2013.

[3] N. Li, L. Chen, C. Zhao, and S. H. Low, "Connecting automatic generation control and economic dispatch from an optimization view," in Proc. of American control Conf., Portland, OR, June 2014.

[4] S. Bolognani and F. Dorfler, "Fast power system analysis via implicit ¨ linearization of the power flow manifold," in Proc. of 53rd Annual Allerton Conf. on Commun., Control, and Comp., Monticello, IL, Oct. 2015.

[5] S. A Arefifar, Y. A.-R. I. Mohamed, and T. H. M. El-Fouly, "Optimum microgrid design for enhancing reliability and supply-security," IEEE Trans. Smart Grid, vol. 4, no. 3, pp. 1567–1575, Sep. 2013.

[6] Estimating the Value of Lost Load, Elect. Rel. Council Texas (ERCOT), Austin, TX, USA, 2014, p. 21. [Online]. Available: http://www.ercot.com/content/gridinfo/resource/2015/mktanalysis/ERCOT_ValueofLostLoad_LiteratureReviewandMacroeconomic.pdf

[7] Brantsætera, H., Kocewiak, L.H., Årdal, A.R., et al.: "Passive filter design and offshore wind turbine modelling for system level harmonic studies". Energy Procedia, 2015, pp. 1–11

[8] M. Yesilbudak, "Clustering analysis of multidimensional wind speed data using k-means approach," in 2016 IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), Birmingham, UK, Nov. 2016.

[9] Y. Fu, C. Wang, W. Tian and M. Shahidehpour, "Integration of Large-Scale Offshore Wind Energy via VSC-HVDC in Day-Ahead Scheduling," in IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 7, no. 2, pp. 535-545, April 2016.

[10] L. Baringo and A. J. Conejo, "Correlated wind-power production and electric load scenarios for investment decisions," Applied Energy, vol. 101, pp. 475-482, 2013.

[11] M. Doostizadeh, F. Aminifar, H. Lesani, and H. Ghasemi, "Multi-area market clearing in wind-integrated interconnected power systems: A fast parallel decentralized method," in Energy Conversion and Management, Vol. 113, pp. 131-142, April 2016. [12] A. Kargarian, Y. Fu, and Z. Li, "Distributed Security-Constrained Unit Commitment for Large-Scale Power Systems," in Transactions on Power Systems, vol. PP, no. 99, pp. 1–12, 2014.

[13] C. Wang and Y. Fu, "Fully Parallel Stochastic Security-Constrained Unit Commitment," IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 31, No. 5, pp. 3561-3571, September 2016.

[14] H. H. Wu, C. L. Wei, Y. C. Hsu, and R. B. Darling, "Adaptive PeakInductor-Current Controlled PFM Boost Converter with a NearThreshold Startup Voltage and High Efficiency," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 4, pp. 1956-1965, 2015.

[15] H. Zhou, J. Zhao, and Y. Han, "PV balancers: Concept, architectures, and realization," IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 7, pp. 3479–3487, Jul. 2015.

[16 D. Patil, A. K. Rathore, and D. Srinivasan, "A non-isolated bidirectional soft switching current fed LCL resonant dc/dc converter to interface energy storage in DC microgrid," in Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo., 2015, pp. 709–716.

[17] S. Sajadian and R. Ahmadi, "Model predictive-based maximum power point tracking for grid-tied photovoltaic applications using a Z-source inverter," IEEE Trans. Power Electron., vol. 31, no. 11, pp. 7611–7620, Nov. 2016.

[18] D. Gedeon, S. T. Meyer, S. J. Rupitsch, and R. Lerch, "A hybrid simulation approach for piezoelectric vibration energy harvesting," In Proceedings - AMA Conferences 2015, pp. 621–625, 2015.

[19] M. Weiß, J. Ilg, S. J. Rupitsch, and R. Lerch, "Inverse method for characterizing the mechanical frequency dependence of isotropic materials," tm - Technisches Messen, vol. 83, no. 3, Mar. 2016.

[20] S. J. Rupitsch and J. Ilg, "Complete characterization of piezoceramic materials by means of two block-shaped test samples," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control, vol. 62, no. 7, pp. 1403–1413, Jul. 2015.

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Universidad Politécnica Salesiana

Cuenca - Ecuador

 

 

 

Autor:

Luis Eduardo García Vera.

Juan Gabriel Jara Calle.