Archivo para septiembre, 2013


Los diodos emisores de luz (LEDs) existen desde hace varias décadas, aunque hasta no hace mucho, su uso estaba limitado a usos específicos. Antes de 1990, sólo estaban disponibles los LEDs de color rojo, verde y amarillo, esto limitaba su utilidad. La invención de los LEDs azules y ultravioletas (UV) y el incremento del brillo del LED permitieron recientemente la generación de luz blanca. Desde 1990 se aceleró el desarrollo y comercialización de semiconductores emisores de luz.

Desde la invención del LED rojo en la década del 60, la potencia de la luz de este dispositivo se multiplicó por 20 cada 10 años, al mismo tiempo la disminución del costo de la luz LED (por lumen) fue de 10 veces, siguiendo la tendencia conocida como ley de Haitz (Steele 2007). En el caso de los nuevos LEDs blancos, la potencia del lumen (por dispositivo) se multiplicó por 6 entre 2002 y fines de 2006 mientras que el costo por lumen disminuyó 7 veces su valor. Entre 1995 y 2005 el mercado del LED blanco de alto brillo creció en un promedio de 42% anual (Steele 2007). Sin embargo, la tecnología aún está lejos de madurar con una penetración en el mercado limitada sólo para usos específicos.

Los LEDs de colores actualmente superan en calidad a las fuentes filtradas de luz incandescente por lo que comienzan a tener una mayor demanda comercial. Los LEDs generan una limitada amplitud de onda de luz, produciendo así directamente los colores deseados y consiguiendo eficiencias superiores que las tecnologías alternativas que dependen principalmente de luz blanca filtrada. Los LEDs que producen luz blanca aún deben esperar para lograr esa penetración en el mercado, debido a cuestiones de conversión. La luz no puede ser emitida directamente por un LED, debe ser generada por una conversión de fósforo de luz azul o UV, a partir de la mezcla de luz monocromática o por una combinación de las dos posibilidades. El uso de LEDs individuales que posean fósforos es la tecnología más generalizada. No obstante, esto presenta algunos grandes desafíos técnicos, especialmente en la creación de luz blanca cálida (similar a las incandescentes) ya que la eficiencia de los fósforos rojos queda por detrás de la de los disponibles para generar otros colores (Schubert y Kim 2005). Las eficiencias de la conversión de fósforo generalmente son bajas, esto reduce la eficiencia final de los productos. En la industria muchos creen que el criterio de mezclar luz terminará siendo dominante (brindando eficiencias de 200 lm/w – mucho más que una lámpara incandescente o fluorescente), aunque la falta de LEDs verdes de alta potencia actualmente limita la calidad del color blanco.


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Actualmente se utilizan diferentes tecnologías en iluminación. La más antigua, la iluminación incandescente, fue inventada originalmente a fines del 1800, y a excepción de las luces halógenas, el diseño de las lámparas prácticamente no ha cambiado desde 1930. La forma más ineficiente de iluminación eléctrica, la luz incandescente, posee una eficiencia de conversión eléctrica energía-luz de sólo el 5%. A pesar de esto, son las que más se utilizan, principalmente en el sector residencial. Consumen el 30% de la energía eléctrica usada para iluminación mientras que sólo producen un 7% de luz efectiva. Hoy se reconoce que es necesario ponerle un final al uso de las lámparas incandescentes. Los grandes fabricantes de lámparas disminuyeron su producción (BBC 2007) y los gobiernos de diferentes países ya presentaron iniciativas para retirar las lámparas de la venta (Coghlan 2007)

Las lámparas fluorescentes, la alternativa actual de iluminación de interior, representan el 64% de la iluminación generada eléctricamente y representa el 45% del uso de energía eléctrica para iluminación. La eficiencia de la iluminación fluorescente varía según el tipo de lámpara, aunque generalmente es de 5 y 8 veces mayor a las incandescentes. Todas las lámparasfluorescentes contienen mercurio, aunque en cantidades cada vez menores. La mayoría de las lámparas fluorescentes emiten luz ultravioleta debido a su modo que funcionamiento.

El otro grupo principal de tecnologías en iluminación, las lámparas de descarga, se utilizan en espacios grandes incluyendo exteriores, grandes salas y centros comerciales. Las lámparas de descarga proveen el 29% de la luz entregada y representan el 25% de la energía eléctrica utilizada en iluminación. La mayoría de estos tipos de lámparas, sólo producen una limitada variedad de colores (por ejemplo las lámparas de sodio producen el color amarillo). Esto las limita a aplicaciones en donde el color no es importante. Algunas lámparas son muy eficientes (mucho más que las lámparas fluorescentes) y brindan la cantidad de luz necesaria para aplicaciones como el alumbrado público. Aún así, todavía se pueden mejorar. Las lámparas de vapor de mercurio, a pesar de ser una vieja tecnología ineficiente que depende de un metal tóxico, son muy utilizadas actualmente. Las lámparas de descarga producen luz no-direccional, haciendo necesarios el uso de reflectores para garantizar que la luz sea dirigida a la dirección deseada. Debido al pobre diseño de luminarias para exterior (incluyendo el de los reflectores), mucha luz se desperdicia resultando en una reducción real de la eficiencia, y en contaminación lumínica.

Esta claro que, a pesar de que existe una variedad de tecnologías en iluminación actualmente en uso, ninguna es perfecta. Muchas opciones tienen todavía una eficiencia baja, principalmente en iluminación residencial e iluminación especializada. Muchos productos eficientes deben resignar otros factores como la calidad del color y su toxicidad. Evidentemente existe la necesidad de otras respuestas a la creciente demanda de luz artificial, como es el caso de los LEDs.


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Fuentes y dispositivos de almacenamiento de energía suelen estar geográficamente distribuidos a nivel del área de la comunidad por lo tanto es necesario una comunicación de dos vías, al cual es necesario para operar y controlar las entidades de la microgrid. Con la comunicación bidireccional todos los equipos en la microgrid es monitoreada remotamente y la información desde las entidades sirven para mejorar la fiabilidad y la calidad de la producción de energía.

EMS_Microgrid

La figura muestra un ejemplo de la configuración de una microgrid. El Sistema Gestor de Energía (Energy Management System – EMS) tiene la función de monitorear y controlar todos los subsistemas en la microgrid. PAra este propósito EMS recibe datos en tiempo real desde todas las entidades. Estos datos son almacenados en la database del sistema en el EMS y es usado para analizar el estado del sistema y hacer la gestión de las fuentes de generación de potencia y las cargas de potencia controlable en la microgrid. El monitore y control de las fuentes de energía distribuida y cargas de potencia en la microgrid puede ser manejadas por un Sistema de Adquisión de Datos y Supervisor de Control (Supervisory Control and Data Acquisition – SCADA).

El sistema de comunicación cobre a aquellas entidades en la microgrid y la información proveniente desde todos los sensores y medidores en la red. La microgrid normalmente cubre una pequeña área en cambio una smart grid cubre una gran área geográfica. Por consiguiente una Red de Area Metropolitana (Metropolitan Area Network – MAN) y Red de Area Local (Local Area Network – LAN) puede ser usada y varias tecnologías puede ser usada para una microgrid.


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Varias ventajas tienen las microgrids en comparación con los sistemas de potencia convencionales, los beneficios de las microgrids puede ser descritas como las siguientes:

  • Mejoramiento de la calidad de la energía y la fiabilidad.
  • Reducción de las pérdidas de distribución.
  • Mejoramiento de la eficiencia energética.
  • Reducción de la emisión de dióxido de carbono con generación renovables para la producción de energía.
  • Bajo costo en comparación con los sistemas de potencia convencionales.

Estos beneficios de los microgrids es posible por mediante el control y operación coordinada de las fuentes de generación con la demanda de las cargas eléctricas.


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Un flywheel (volante de inercia) es un dispositivo que almacena energía eléctrica como energía cinética (o inercial) de una masa dispuesto en forma de rotor girando a una velocidad muy alta. La figura muestra la estructura de una unidad convencional de volante de inercia.

flywheel

La carga/descarga del dispositivo se realiza a través de un máquina eléctrica integrada operando como un motor para acelerar el rotor hasta la velocidad requerida para potencia nominal de absorción desde la red eléctrica (modo carga( o como generador para producir la energía eléctrica para la demanda usando la energía almacenada en la masa de la volante de inercia por la desaceleración del rotor (modo descarga). La energía almacenada es directamente proporcional al momento del rotor del flywheel y al cuadrado del momento angular, una razón por el cual se incrementa la velocidad de rotación es porque trae grandes bebeficios sobre la densidad de energía almacenada. Se tiene actualmente dos tipos de flywheels: de alta velocidad (HS: cerca de los 40000 RPM) y de baja velocidad (LS: alrededor de los 7000 RPM). Modernas flywheels con cojinetes magnéticos superconductores posee una muy alta eficiencia que es superior al 90%.


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Los llamados supercapacitadores, ultracapacitadores o electric double layer capacitors (EDLC) consiste de una estructura porosa de carbón activado para uno o ambos electrodos, el cual están inmersos dentro de una solución electrolítica (típicamente hidróxido de potasio o ácido sulfurico) y un separador que previene el contacto físico de los electrodos pero permite la transferencia de iones entre ellos. Esta estructura efectivamente crea dos capacitores equivalentes (entre cada electrodo y el electrolito) conectado en serie, como se muestra en la figura esquemática de sus componentes internos.

supercapacitor

La energía es almacenada como una separación de cargas en la doble capa formada en la interface entre la superficie del material electrodo sólido y los microporos de los electrodos. Este factor permite una muy alta capacitancia por unidad de volumen, el cual  es cientos hasta miles de veces más grande que un capacitador electrolítica.


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Un SMES es un dispositivo DES (Almacenamiento de Energía Distribuida) el cual permanentemente almacena energía en un campo magnértico generado por el flujo de corriente DC en una bobina superconductora (SC). La bobina es criogénicamente enfriada a una temperatura más baja que su temperatura crítica y con ello muestra su propiedad superconductora. El principio básico de un SMES es que una vez que la SC es cargada, la corriente no decae y la energía magnética puede ser almacenada indefinidamente. Este almacenamiento de energía puede ser inyectada a la red eléctrica por simple descarga de la bobina. Un potencialmente opción de costo efectiva para sistemas SMES es usar un superconductor de alta temperatura (HTS: Ceramic oxide compoud) enfriado por nitrógeno líquido en vez de un usual superconductor de baja temperatura (LTS: Niobium-titanium alloy) enfriado por helio líquido.

La estructura básica de un dispositivo SMES se muestra en la figura a continuación.

SMES

La base de este dispositivo es un gran SC, cuya estructura básica está compuesto de los componentes de la bobina (el SC con su soporte y componentes de conexión, y el criostato) y el sistema de refrigeración criogénico.


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