Archivo para junio, 2015


Demanda histórica anual de energía Ecuador 1999 - 2012

En la figura se indica que desde el año 1999 al año 2012 la demanda de energía eléctrica en Ecuador se ha incrementado gradualmente, se puede ver que en 1999 la demanda ha sido de 9,652 GWh y en el 2012 ha sido de 18,605.91 GWh, es decir que en este período se ha dado un incremento de 8,953.91 GWh, en 13 años la demanda eléctrica, prácticamente se ha duplicado, generando un problema en cuanto a la generación eléctrica, porque necesariamente se debía incrementar la misma, las medidas inmediatas fueron generar un cambio de matriz energética e ir cambiando paulatinamente el uso de generación mediante combustibles fósiles, a generación con energías renovables, especialmente aprovechando la generación hidroeléctrica.


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Q_fdp_P

Calcular la potencia reactiva en función al factor de potencia y potencia activa es algo bastante usual y necesario durante el cálculo eléctrico. La figura muestra un programa de simulación modelado en Matlab/Simulink que permite hacer ello. La ventaja de esto es que a medida que cambia las señales de entrada tanto del factor de potencia como de la potencia activa puede computar rápidamente la potencia reactiva.


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sub_sistema_pelton_turbina

Un sistema se simplifica visualmente al crear parte o el cuerpo del programa en un subsistema. Como en la figura el sistema de turbina – reservorio mostrado en un post anterior, se ha hecho crear un subsistema del cuerpo del programa, de tal manera que solo se observa las variables de entradas  y de salidas. Requiere tener cuidado sobre todo en la integración de dichos subsistemas cuando ya se desea desarrollar o crear todo un sistema en completo.


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Vision of the future electricity distribution loaded with independent dc distribution architectures

Estimados lectores… Recogo la información y se las muestro. Esta figura se puede visualizar como será en un futuro la distribución de la electricidad en la que el sistema está cargada o tiene conectados muchos o varias independientes arquitecturas de distribución en corriente continua DC. Valores de 280 Vdc en casas, centros comerciales, datas centers entre otros… pues no estaría mal, además la DC es menos propagación de ondas electromagneticas en el entorno y hay muchas ventajas de la DC frente a la AC. Claro, asumo que alguien recordará a Tesla y su energía free for all, pero hasta lo que se ve, la idea es la misma, la de mantener el mercado electroenergético mediante la compra de electricidad, cambio de repuestos/máquinas, etc… lo mismo de ahora pero en DC, con un pequeño aliciente, en aquellos países que se permita, podrán ser con una inversión, autogeneradores mediante turbinas de viento o paneles solares fotovoltaicos o etc.. pero las reglas de juego al menos a lo que se ve, siempre serán a favor de las empresas públicas o privadas de electricidad… el mercado tiene que sobrevivir, ese es el mensaje. Por lo tanto, si miran bien esta figura, verán que hay mucho por investigar, desarrollar, innovar… Ánimos que si lo pueden hacer en laboratorio excelente !! si no lo pueden, pues están las herramientas de modelamiento y simulación.. Saludos cordiales.


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Block diagram of a micro-turbine-based distributed generation system

Las turbinas de gas poseen un eje que gira a bastantes RPM (una referencia es 100,000 RPM sin embargo hay un amplio rango dependiendo de calidad, fabricante, procedencia, etc.), por lo tanto, esa energía cinética que es resultado de capturar parte de la energía química liberada por la combustión del gas en las cámaras de combustión, necesita de un generador de alta velocidad para la siguiente etapa del proceso que es transformarla en energía eléctrica. Queda entonces luego acomodar la señal eléctrica a lo que el sistema eléctrico a conectarse utiliza, por ello, primero se rectifica, se lleva a un enlace en corriente directa (link dc) y luego a un inversor eléctrico que lo lleva a energía eléctrica en su forma alterna sea monofásica o trifásica (como se indica en la figura)… Por cierto, estos sistemas ya desarrollados vienen encapsulados en diferentes capacidades nominales 5 kW, 10 kW, etc.


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Block diagram of an MSD Gsystem with battery storage

Hola a todos, espero que les sirva cada post del presente Blog. En la figura se observa dos formas de conexión eléctrica de una fuente de almacenamiento a una micro-fuente en una microred. La primera es una configuración sin regulación del flujo de corriente en DC, es decir, se carga y descarga según el voltaje que se presente en tiempo real sin que algún elemento tome acción de control. El segundo esquema (el de la derecha) es una configuración con el bus de DC regulable, es decir, hay un monitoreo y control por medio de un convertidor dc/dc de la carga y descarga de la batería, de esta manera se optimiza y hace un mejor uso de la energía eléctrica, dado que este sistema está integrado con otros equipos sean cargas o microfuentes como parte de una microred o una multi-microgrid. Bus DC que cada vez va tomando importancia dentro de los sistemas eléctricos dado que va enlazado funcionalmente con la persencia de equipos de electrónica de potencia.


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Circuits chematic of the inverter-based island micro-source distributed generation system

Bien pues, algo que no es mi fuerte pero que de todas maneras es parte importante dentro de los diferentes equipos que ahora se utilizan en las energías renovables. Es el diagrama esquemático de un inversor. Los hay de diferentes tecnologías en materiales y marcas y modelos, pero este es un esquema bastante usual en los mismos. Quienes estudian electrónica de potencia deberían hacer al menos uno durante su carrera de pregrado dado que en el corto plazo van a ser tan tan utilizados y comunes como un teléfono celular. Esta la parte que hace los pulsos y el PWM, el filtrado y la conversión de voltaje. En esto del filtrado se escoge adecuadamente los elementos de filtro de tal manera que no se propaguen armónicos ni ruido en el sistema. También hay simulaciones de dichos elementos, en Matlab y en otros softwares… todo ello es bueno e interesante, sin embargo, una adecuada comprensión de como funciona es útil para el diario vivir de un ingeniero…


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Micro-turbine block diagram

 

La figura muestra el diagrama de bloques una microturbina. Estos diagramas de bloques sirven para ver en que partes funcionales o conceptuales un sistema está constituido, pero si lo miramos desde el punto de vista de modelamiento y simulación, los diagramas de bloques sirven para determinar las partes importantes que constituyen un sistema y con cada parte del sistema ir haciendo su modelo matemático y computacional… una vez que se tiene las simulaciones de cada parte, se integran como un todo para recrear todo el modelo de la microturbina. En este caso las entradas al sistema son aire y combustible, cada uno de ellos son constituyentes que pueden varias de composición, quizás el combustible de la microturbina por ser gas, sea más uniforme en el tiempo. Combustible que se quema y parte de la energía contenida en los gases de escape se transforman en energía térmica en el recuperador, haciendo más eficiente el sistema. Una microturbina de gas es un elemento sencillo con una sola pieza en rotación.


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What Is not a Microgrid_Sample Cases

Hay varios post en este mi Blog de lo que es una microgrid (microred) y con ejemplos de configuraciones y esquemas eléctricos de diferentes experiencias que he podido encontrar en la bibliografía en que me empapo en lecturas y simulaciones. Pero hay casos en que un sistema eléctrico o parte de él, no es una microgrid. En la figura se muestra algunos ejemplos:

  • Puedo tener fuentes de energías renovables, pero no tengo cargas… entonces como para que sirve la generación, si no hay cargas, es un netamente productor de energía eléctrica conectado a la red eléctrica pública, sin cargas, no es una microred.
  • Puede tener cargas, pero no tiene fuente de energía renovables que en el caso de las microredes se llama micro-fuentes, por lo tanto, es un consumidor normal y común como puede ser una carga residencial usual de una red de distribución eléctrica.
  • Tiene micro-fuentes de energía y cargas, pero presenta ausencia de monitoreo y control… una Microred constantemente monitoreo las variables del sistema y de cada componete: voltajes, potencias, encendido/apagado, compra/venta hacia la red eléctrica pública. Y controla cada parte del sistema: cargas sensibles y no sensibles, así como el mando y control de cada fuente productora o de almacén de energía.
  • Puede tener control, monitoreo, cargas pero las fuentes son muy pequeñas, es decir, un panel solar o una producción muy pequeña de energía renovable… entonces su huella energética medida en cuanto aporta en reducción de Carbono es mínima, es decir, es insuficiente… por lo tanto, no se puede considerar como microred, para ello, se debe instalar más paneles o turbinas eólicas u otras de tal manera que como dice el concepto pueda la microred funcionar de manera autónoma de la red eléctrica pública por un tiempo determinado.

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charge process of a battery lead-acid with anormal conditions for evaluation of charge resistence

charge process of a battery lead-acid with anormal conditions for evaluation of charge resistence [Jorge Mírez https://jmirez.wordpress.com ]

En las baterías de plomo – ácido se considera que si su capacidad está al 80% de su valor nominal, la batería está “descargada”. Descargas más profundas dañan la batería. Lo mismo sucede cuando se realiza el proceso de carga. La figura lo visualiza todo y para ello he podido colocar los códigos del caso para mejor comprensión, dado que la finalidad del blog es dejar legado y compartir conocimiento para la mejor comprensión de las energías renovables y dar un granito de arena para su desarrollo en pos de un planeta mas verde para las futuras generaciones. Entonces, partimos desde un 80% y va cargando la batería, entonces se va acumulando energía, la resistencia va modificándose llevando consigo la visualización de la energía gastada para almacenar parte de la energía eléctrica suministrada. Pero llega a un máximo posible recomendado por todo fabricante y lo usual es que no nos pasemos de dicho valor. Sin embargo, si logramos pasarnos, surge que la resistencia sufre un brusco cambio y se vuelve negativa, es decir, en vez de oponerse, facilita el tránsito de energía eléctrica, pero tránsito hacia donde caballero?… Pues está encajonado el líquido electrolítico y dado que se tiene es un campo eléctrico actuando sobre un sistema de electrolito y láminas de cobre, surge procesos como el burbujeo en el que la energía sobrante ya no se almacena, más bien rompe los enlaces en líquido y placas para descomponer el sistema. Una batería no debería perder líquido teóricamente, funcionalmente la pierde dado la característica propia de la temperatura de ser una variable estadística, pero los tiempos deben ser bastante prolongados para el rellenado del electrolito, un protocolo de pruebas puede servir para determinar según los regímenes de trabajo cada cuanto tiempo se debe rellenar el electrolito o de manera inversa, las baterías deberían tener un sistema de aviso que necesita ya rellenar, entonces con un registro de tiempo y una tabla obtenida de los experimentos propuestos, podemos inferir a que régimen de trabajo aproximado o promedio ha estado sometida la batería. Hecho en Matlab/Simulink y si deseas postearlo o utilizarlo, favor hagan la referencia a este blog y a mi persona… es lo mínimo a pedir dado que les comparto mediante este blog estas simulaciones.


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irradiación estudio completo sobre piso nominal

Bueno, es casi un estudio completo, se puede ir agregando otra información que no coloco en la presente. Entonces, en un emplazamiento determinado, los modelos matemáticos, nos permiten también calcular lo que es radiación difusa horizontal, irradiación sobre superficie horizontal, entre otras. Estos cálculos vienen a ser los ideales y que sirven de marco referencial para el análisis de datos in situ recolectados.


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irradiación sobre piso nominal

Dado una ubicación dada en el planeta, considerando su latitud y demás ángulos solares necesarios, me enfoco en realizar los cálculos que conlleven a predecir el valor de los parámetros cada vez que el sol está en en zenith. Por lo tanto, en ese día del año (eje horizontal la irradiación extraterrestre, es atenuada por la atmósfera y eso es lo que lleva sobre el piso. En aquel lugar de estudio, el ángulo de altitud varía durante el año así como los demás ángulos como por ejemplo la inclinación solar que se muestra también. Hecho en Matlab considerando modelos teóricos y que doy el servicio de hacer los cálculos para cada ubicación que me soliciten.


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Components of a Sustainable Energy Model

Debe cumplir al menos las siguientes condiciones:

  1. Técnicamente sostenible: Su construcción es posible dentro de los límites de la tecnología actual; operación de los elementos críticos del sistema no es comprometida.
  2. Económicamente viable: El proyecto es económicamente viable considerando los aspectos medio ambiental y social.
  3. Socialmente sostenible: La comunidad acepta el sistema y es dispuesta a colaborar con su desarrollo; el proyecto promueve el desarrollo social de sus usuarios.
  4. Ambientalmente sostenible: El proyecto brinda beneficios al medio ambiente en comparación con el tradicional sistema de potencia.

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DERs with different control strategies

  1. DERs grid-forming: Estas unidades son la columna vertebral de las microgrids. Siendo responsable de mantener estable las condiciones del sistema de potencia, estas unidades constantemente hacen control de frecuencia y voltaje tener a tono los sistemas de generación y la demanda. Estas unidades pueden ser convencionales generadores síncronos o Inversores de Fuente de Voltaje (VSI) con almacenamiento de baterías.
  2. DERs grid-supporting: Unidades controlables (despachables) los cuales son dependientes del voltaje y frecuencia del bus. Estas unidades pueden ser de almacenamiento (volantes de inercia, baterías, almacenamiento térmico) o generadores cuyos principal recursos son despachables (celdas de combustible, micro turbinas, etc).
  3. DERs grid-following: Generadores no controlables. Estas unidades son frecuentemente diseñados para maximizar su salida por medio de Seguidores de Punto de Máxima Potencia (MPPT). Ellos no realizan control de frecuencia y voltaje en su PCC, en su lugar, ellos “siguen” la señal de voltaje y frecuencia y actúan como una fuente de corriente. La principal guía para esta estrategia de control es la incertidumbre de la fuente de energía primaria de estas tecnologías. Algunos ejemplos son las celdas fotovoltaicas y las pequeñas turbinas eólicas.

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Power electronics interface for a hybrid system PV inverter plus battery storage

Estos tipos de generadores usan la conmutación de los convertidores de electrónica de potencia para transformar la energía almacenada o en tránsito. Las eficiencias de estos dispositivos están en el rango de entre 90 % y 98 % dependiendo de la tecnología usada y condiciones de operación. Comunes aplicaciones son para almacenamiento de baterías, inversores fotovoltaicos o dondequiera una conversión de potencia es necesario. La figura muestra la general estructura de un inversor electrónico de potencia híbrido conectado a una microgrid…


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Typical Microgrid Structure

En general, una microgrid comprende la parte de media tensión (MV) y baja tensión (LV) de un sistema de distribución eléctrico. En los casos en donde la red eléctrica principal existe, la microgrid cierra el lado secundario de las subestaciones de transformación (llamado PCC) al resto del sistema MV y LV. Esta puede incluir cargas, generadores distribuidos tanto de la empresa eléctrica como de los usuarios, los cuales pueden ser de diferentes tipos y tecnologías. La microgrid también incluye todos los equipos de comunicación necesarios para la operación y gestión de la energía en tiempo real del sistema. La figura ilustra la estructura general de una microgrid.


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eficiencia de inversor monofásico de 10 kW

La figura se muestra una curva de eficiencia del funcionamiento de un inversor monofásico de 10 kW de capacidad nominal. Vemos que hay una reducción en la eficiencia a baja capacidad. Una visión que es parecida a los de las máquinas de combustión interna y similares que cuando funcionan a baja capacidad se empeoran sus características de funcionamiento. Es la modernidad de que cada inversor cuente con un dataloger de almacenamiento de datos interno de al menos tres meses para que el usuario pueda ver como ha sido el funcionamiento del inversor. Tres meses que son aproximadamente la época de invierno crudo en Norteamérica y Europa extremo en que desplazarse puede ser difícil. Eso es lo mínimo puesto que una conexión a PC remota y otras cosas más modernas son posibles ahora.


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diagrama eléctrico de un inversor monofásico

Se muestra en la figura un inversor monofásico, con varias entradas monofásicas provenientes desde módulos (paneles) solares fotovoltaicos. El equipo cuenta adicionalmente con protecciones de: polarización inversa, sobretensiones en la entrada y la salida mediante descargadores tipo 3, cortocircuitos y sobrecargas en la salida, fallo del aislamiento, anti-isla con desconexión automática, que es lo mínimo a solicitarse para una instalación.


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cost acumulative electric energy during a day

Durante el día hay varias tarifas dependiendo si es hora valle, hora punta u otra forma de tarifa dependiendo de que país uno se encuentre. Por lo tanto, podemos ir midiendo según las lecturas de potencias, cuando es el costo que se va asociado en tiempo real de funcionamiento. La figura es muestra ejemplo de programación para un día. en el lado de la izquierda son los costos por cada hora (es decir, lo que se paga por esa hora según la potencia que se haya consumido en esa hora), la del lado derecho es el costo que se va a acumulando a lo largo del día y que por cierto para cuando ya son varias lecturas de varios días se tiende hacia una uniformización de la tendencia si es que los hábitos de consumo son periódicos o habituales. Hecho en Matlab de MathWorks siguiendo ejemplo de un caso real.


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energy balance microgrid electricity

La presente tiene por finalidad mostrar el cálculo que se puede hacer con Matlab/Simulink de balance de potencias activas y reactivas. Ambas se procesan como un elemento de parte real y parte imaginaria, esto es números complejos. La figura muestra diferentes maneras como trabajar con los números complejos, sean estos idealizados o sean estos de registro de bases de datos hechos por smart meter o data base recolectados. Los ingresos son sumados y presentados en dos ventanas de potencia activa (lado izquierdo/derecho superior) y reactiva (lado izquierdo/derecho inferior), además de un tercera ventana de doble ingreso en que se representa en un plano complejo XY las dos potencias como vector de potencia aparente.


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