Archive for the ‘Batería’ Category
Se presenta algunos escenarios de simulación propuestos, en función de los estados de la generación de energía a través de la fuente de energía renovable (Potencia Generada) y de la potencia demandada por la red (Potencia Demandada)… tenemos los siguientes:
- Potencia generada no nula y potencia demandada nula:
El sistema de almacenamiento absorbe la totalidad de la potencia entregada por la fuente de energía renovable. - Potencia generada nula y potencia demandada no nula.
El sistema de almacenamiento es el encargado de suministrar la totalidad de la potencia a la carga. - Potencia generada mayor que potencia demandada.
El sistema de almacenamiento se carga con la potencia en exceso generado por la fuente de energía renovable. - Potencia demandada mayor que potencia generada.
El sistema de almacenamiento es el encargado de suministrar la potencia restante para abastecer la demanda de la carga.
El tiempo de simulación en cada uno de los escenarios será de 20 segundos, ejemplo tomado para una instalación de 30 kW… pero yo creo que se puede ampliar el tiempo de simulación dependiendo de la data de velocidad de viento, sol, etc… y también de la capacidad computacional que se tiene.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
Group of Mathematical Modeling and Numerical Simulation (GMMNS).
Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, Perú.
E-mail: jmirez@uni.edu.pe
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Por lo general los sistemas híbridos es cuando se trata del abastecimiento mediante una planta de aprovechamiento de Fuentes de Energía Renovable (FER) y conexión a la red de distribución. Para el caso especial que estudio, tendrìa una microred con su correspondiente demanda de carga, cuyo abastecimiento viene dado por la generación de energía elèctrica a partir de FER en conjunto con un sistema de almacenamiento, y la posibilidad de conexión con la propia red de distribución. Tomarmos como ejempplo un sistema de almacenamiento híbrido basado en supercondensadores y baterías y su integración en el sistema mencionado con conexión a microred eléctrica y red de distribución.
En este tipo por lo general la energía aprovechada a partir de la fuentes renovable es almacenada temporalmente en un dc-link, para su posterior almacenamiento o suministro a la microred. El control global del sistema es el encargado de gestionar el flujo de potencia mediante el gobierno sobre los controles locales de cada convertidor de potencia. Ello se realiza comandando las potencias de referencia a seguir por cada subsistema para llevar a cabo la gesitòn de energìa de la manera más eficiente posible.
El funcionamiento en isla se basa en la sustentación de la microred mediante la generación por parte de la fuente de energía renovable y el apoyo del sistema de almacenamiento. En el caso de insuficiencia de éstas (conjunto FER y almacenamiento), se llevaría a la conexión con la red de distribución para el consiguiente aporte necesario, llamàndose funcionamiento dependiente de la red de distribución. Por lo tanto, el objetivo es el abastecer la demanda de la microred mediante la fuente de energía en conjunto con el sistema de almacenamiento, minimizando el consumo de la red de distribución, y con la mayor eficiencia posible en la gestión de la genería.
Según el tipo de FER se tendrá la necesidad de convertidores AC/DC y DC/AC para acondionar la energía eléctrica para la interconexión entre los diferentes elementos, su distribución y consumo. El control de convertidor AC/DC permite un funcionamiento en su punto de màximo potencia (es lo deseable), extrayendo la màxima cantidad de energía de la FER, aportàndola al dc-link. Por otro lado, el controlador del equipo DC/AC se encarga de la inyección de la energía almacenada temporalmente en el dc-link a la microred, segùn la potencia de referencia comandada por el controlador global de la planta. Finalmente, el control del convertidor del sistema de almacenamiento gestiona el almacenamiento o suministro por parte de este último subsistema, según situaciones de funcionamiento. Si la potencia generada por la FER es mayor a la demandada por la microred, el exceso es almacenado en los acumuladres de energía. En el caso contrario, demanda mayor que la generación, el sistema de almacenamiento se encarga de suministrar a la carga la potencia restante.
En todo protecto de este tipo, hay que hacer el diseño y dimensionamiento de la electrónica de potencia asociada al sistema de almacenamiento integrado a la planta estudiada y el càlculo de los almacenadores de energía necesarios para cubrir las especificaciones de diseño.
La elección del almacenamiento híbrido de supercondensadores y baterías tiene su razón en la naturaleza de estos almacenadores. Los supercondensadores tienen una respuesta ràpida ante variaciones en las condiciones de carga y descarga pero no son grandes almacenadores de energía. Por el contrario, las baterías poseen mucha mayor capacidad de almacenamiento pero sus tiempos de respuesta son limitados. En conjunto, el sistema de almacenamiento con su debida gestiòn de la potencia, posee una ràpida respuesta dada por los primeros dispositivos y una alta capacidad de energía, proporcionada por las baterías en régimen permanente.
Por otro lado, el sistema debe poseer un tiempo de actuación lo suficientemente ràpido como para garantizar la calidad en la microred, de forma que sea capaz de proporcionar la demanda de la carga en todo momento.
Como ejemplo para el caso de una carga de 30 kW, en un trabajo han considerado diseñar el almacenamiento de supercondensadores para abastecer la carga durante varias puestas en funcionamiento del sistemas de baterías. Según las especificaciones de las mismas, las baterías tienen un tiempo de respuesta de 3 segundos para dar la potencia nominal desde reposo, es decir, entregarían una rampa ascendente de potencia desde cero hasta la potencia nominal en el tiempo indicado. La especificación de diseño para el banco de supercondensadores será la capacidad de energía para suministrar la potencia restante en al menos 10 puestas en funcionamiento. Ello supone una entrega de 10 veces la potencia de una rampa descendente desde condiciones nominales hasta reposo en 3 segundos.
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Una batería es un elemento acumulador elèctrico que almacena energía eléctrica mediante procesos electroquímicos. Es un generador eléctrico secundario. No produce energía eléctrica en sí, sino que libera la que anteriormente se ha almacenado durante su carga. El número de cargas y descargas vendrá limitado por su vida útil.
La principal virtud de las baterías es la mayor densidad de energía que poseen frente a muchos otros almacenadores, pero tienen ciertas desventajas o restricciones. Una de ellas es la baja velocidad de carga y descarga permitida. Una batería tiene restricciones de tiempos y corrientes de carga y descarga. Por su naturaleza, no son dispositivos capaces de absorber grandes puntas de potencia en las cargas ni proporcionarlas en las descargas sin que ello no repercuta negativamente en su vida útil. Su rendimiento no es muy elevado, del orden del 80%, debido a su resistencia interna, la cual es notable en los procesos de carga y descarga del dispositivo. Otra caracterìstica desfavorable es la propia autodescarga con el tiempo debido a la resistencia de fuga. Algunos tipos de baterìas presentan el llamado «efecto memoria», en el que en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad de almacenamiento, debido a corrientes elevadas, altas temperaturas, al envejecimiento del dispositivo, imposibilitando el aprovechamiento de toda su energía. Un inconveniente no menos importante es la alta toxicidad de los metales pesados que forman parte de algunos tipos de baterìas, que constituyen un problema medioambiental grave. Se estàn intentando reducir esta toxicidad con la sustitución por nuevas sustancias menos contaminantes.
Entre los tipos de baterías existen de Plomo-Ácido, NaS, Ni-Cd, Mi-Mh, Lio-ión y otras varias. Entre ellas, las baterías de plomo han sido las más desarrolladas y utilizadas en sistemas de potencia. El resto de baterías están siendo utilizadas en aplicaciones donde las restricciones de tamaño y peso son críticas. Las baterías de ión litio son las que mayores ventajas presentan, en cuanto a densidades de energía y potencia específica, eficiencia en el almacenamiento, mayor rendimiento en la descarga, ausencia de efecto memoria, pero por contra, dichos dispositivos son caros, y aunque prometen en un futuro próximo, su tecnología aún le queda por madurar. En la actualidad se están llevando a cabo proyectos de ingestigación cuyo objetivo es el aprovechamiento de las ventajas de este tipo de baterías y el desarrollo de la tecnología.
Las baterías más utilizadas en sistemas de almacenamiento de energía de fuentes de energía renovables (solar, eólica, …) son las baterías estacionarias. Son baterías de pomo-ácido de bajo contenido de antimonio. Éstas poseen unos 2000 ciclos de vida cuando la profundidad de descarga es de un 20% (es decir que la batería estará con un 80% de su carga) y unos 1200 ciclos cuando la profundidad de descarga es del 50%. Estas baterías tienen una autodescarga menor del 3% y una eficiencia del 75%. Pueden soportar descargas del 80% y tener una vida ùtil de unos 15 años. Son utilizadas en instalaciones de grandes potencias.
Estas baterías se comercializan en celdas unitarias de 2V, o en bancadas que suelen ser de 12V ó 24V que no es más que una asociación encapsulada de celdas unitarias. Estas celdas son capaces de dar altas tasas de energía (Ah). Se puede conseguir la tensión de trabajo deseada mediante la asociación en serie de estos dispositivos.
Las caracterìsticas principales de estos dispositivos se indican a continuación:
- Densidad de carga: aprox 20 – 100 Wh/kg
- Densidad de potencia unitaria: aprox 20 – 200 W/kg
- Rango de energía: para sistemas de hasta 100 MWh
- Rando de potencia: aprox 1 kW – 30 MW
- Tiempos de carga y descarga: aprox horas
- Nùmero de ciclos de carga y descarga: 1000 – 3000
- Rendimiento: 75% – 99% según tecnologías
- Autodescarga: 0 – 20% al mes según tecnologías
- Precios bajos para Pb-ácido, medios para Ni-Cd y carios para Li-ión
- Según tipo puede poseer elementos tóxicos
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Sirve cuando hay cambios de la salida de potencia en respuesta al balance cambiante entre el suministro de energia y la demanda. También, opera en entrada y salida parcial sin comprometer performance o incrementar emisiones, además; responde rápidamente al incremento o decremento de cargas.
Los indicadores de performance, sus valores y una información adicional de cada uno de ellos se muestran en la figura de la presente entrada. Se tiene el costo de capital, costos de operación y mantenimiento, duración de la descarga.
Los costos de capital van desde los US$ 1500 por kW ó US$ 500 por kWh para 3 horas de duración, que es un costo adelantado de la unidad. Costo de operación y de mantenimiento va por los US$ 500 por MWh algo alto pero aceptable. La duración de la descarga es desde 2 a 6 horas.
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Estas aplicaciones lo que tratan es de compensar fluctuaciones de variaciones de corta duración de las salida de la generación renovable.
Los indicadores de performance, sus valores y una información adicional de cada uno de ellos se muestran en la figura de la presente entrada. Se tiene la eficiencia «roundtrip», el tiempo de vida del sistema, la capacidad y el tiempo de respuesta.
La “roundtirp efficiency” de entre 75% a 90%, que consiste en la eficiencia medida en el transformador a la salida de energía dividida por la energía de ingreso. El tiempo de vida del sistema está en 10 años, y que varían por la tecnología y el número de ciclos al año, pero unos 10 años sometido a alto ciclaje ser un suficiente tiempo de vida. La capacidad del sistema está entre 1 MW a 20 MW, en donde, la capacidad necesaria de una tecnología de almacenamiento puede depender del tamaño y la intermitancia de la operación de las renovables (por ejemplo, una gran granja eólica con períodos de fuerte viento y nulo viento tiene un alto potencial para contribui a la red pero ello podría ser más efectivo con almacenamiento). El tiempo de respuesta es de 1 – 2 segundos, dado que la respuesta rápida permite al almacenamiento responden a los cambios en la operación de las renovables para minimizar las fluctuaciones de la generación.
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Los sistemas de almacenamiento de energía se pueden clasificar de acuerdo a la tabla indicada. En donde se puede ver la categoría de aplicación, el rango de descarga de potencia, rango de tiempo de descarga, el rango de almacenamiento de energia y las aplicaciones representativas.
El almacenamiento de energía en bruto (bulk energy storage) es de uso general, con potencias de hasta 1GW y otras más características mostradas, con aplicaciones principalmente para nivelar la carga. El almacenamiento destinado a generación distribuida, es para salvar picos que por sus características del sistema, no puedan ser atenuadas o signifiquen el encendido de generadores con los costos asociados a ello, se ha considerado como de hasta 2 MW para este tipo. La tercera consideración es un almacenamiento destinado a la salvaguardar la calidad de la energía, con cantidad menor a 2 MW, esto es para elevar la calidad de potencia en el usuario final y también la fiabilidad.
Todas estas formas mencionadas poseen sus propias tecnologías en el rango de la potencia que se desea almacenar, la energía que se puede descargar y los períodos de tiempo asociados para cada tipo de categoría. Las empresas fabricantes y usuarias de dichas tecnologías constamente hacen mejoras tanto en calidad, reducción de costos, mejores prestaciones.
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Postulación al Programa de Doctorado en Ciencias mención Física de la Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, PERU. http://www.uni.edu.pe. La defensa de la propuesta se realizó en la Facultad de Ciencias http://fc.uni.edu.pe
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Hola nuevamente, se suele hacer estudios de sistemas híbridos y sus variedades, pero por lo general, se tiene algo de duda en el dimensionamiento de los componentes (eso me paso también), entonces en la presente entrada se coloca los arreglos considerados para un Sistema Fotovoltaico Doméstico (SFD) considerado para un proyecto realizado en Perú.
Pero los SFD como su nombre lo dice se dedican a lo que es un domicilio, casa, etc… Más también hay los arreglos considerados como Sistemas Fotovoltaicos Comerciales (SFC) de mayor potencia que los los SFD y que tienen dos versiones, los de corriente continua y los de corriente alterna, a continuación muestro los jpg que las describen.
Todos los esquemas mostrados han sido considerados en Perú para alimentar a domicilios y pequeñas comunidades alejadas en donde la electrificación por medio de fuentes alternativas renovables es la única opción que se ha tenido. Han habido otros criterios considerados, pero eso lo hiré detallando en otras entradas.
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Gracias por visitar el blog… a quienes lo encuentran por buscador, a quienes reciben en su correo cada entrada y a quienes asesoro. Este blog se nutre de la experiencia y el trabajo diario que se hace sobre el tema, combinado con la docencia y el asesoramiento que se brinda. Más que agradecer, pedir que lo difundan y bienvenidos todos aquellos que desean un asesoramiento, clases, charlas, etc… estoy para servirlos.
Haremos todo lo posible para seguir creciendo este mes de Junio 2010….
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Tiene unas propiedades físicas extraordinarias, impresionantes y totalmente visionarias en potencial de aplicaciones… y lo bueno es que, los Premio Nóbel 2010 de Física no lo patentaron, porque sino la cosa sería pagada. Grande han hecho en no patentarlo, así, medio mundo se ha metido de lleno en estudiar sus propiedades y aplicaciones, desde fuentes de almacenamiento de energía eléctrica de extremadamente gran capacidad, hasta superconductores, memorias electrónicas, unos en dispostivos médicos, etc… son muchas las aplicaciones potenciales. Mejor dénle click a la figura para que lo puedan leer el texto inmerso en la figura.
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Quién no ha tenido alguna vez que lidear con lo que hace un capacitor?… desde el flash de la cámara digital, hasta el disparo de un equipo de Rayos X, pasando por el encendido de un automóvil o moto, en los circuitos eléctricos y electrónicos, en los dispositivos de arranque de motores, etc. La ecuación que gobierna un capacitor es sencilla y poco ha poco han ido construyendo elementos que almacenan cada vez más y más energía.
La capacitancia es una muestra de cuánta energía puede almacenar un capacitor en forma de campo eléctrico. Y los supercapacitores, como los siguientes ultracondensadores (y de ahi que vendrá… xD) se muestran con una buena perspectiva de aplicaciones tanto a uso industrial, doméstico y personal.
Esta nueva generación de condensadores pueden almacenar mucho más energía por unidad de peso y también de potencia por unidad de peso
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Este es una muestra de un resultado de simulación de comportamiento de baterías… aunque presenta aún algunos errores producto que se está elaborando por parte de un estudiante de pregrado a quien co-asesoro, ya muestra importantes resultados.
Se puede ver los variables como el voltaje al final de la carga, corriente de descarga, corriente de carga, potencia de carga, potencia de descarga y energia almacenada. Estas simulaciones ayudarán al ingeniero o diseñador de energías renovables a cuantificar los procesos de descarga y carga, preveendo asi las capacidades de baterias, protección y demas cosas de dimensionamiento eléctrico. Las baterías mostradas en esta figura estan conectadas a un controlador e inversor.
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Hola… no es igual modelar un motor eléctrico de 1 HP que un motor eléctrico de 500 HP o más. Lo mismo puede decir para un motor síncrono que uno asincrónico. De igual manera, para un grupo electrógeno de 5 HP que uno de 1000 HP… todos tienen algo en común pero también muchas cosas diferentes.
Es común a todos ellos el principio básico que lo maneja… en el caso de los motores Otto, porque ejemplo es la chispa que quema el combustible mezclado con aire en la cámara de combustión, en el caso de los Diesel es la presión alta que inicia la combustión de la mezcla petróleo – aire.
La diferentes está en las consecuencias de producir, consumir o transportar grandes cantidades de potencia, energía, flujos, etc… implica tener otros esfuerzos mecánicos, térmicos, de fatiga y de frricción, tambien es el ensuciamiento, los caudales de los fluidos operantes, los equipos auxiliares que se necesitan para llevar el control óptimo o mejorar la eficiencia del sistema en estudio.
El principio básico común se puede encontrar en la literatura de los cursos básicos de la universidad… pero la litetarura más especializada puede ser en los cursos especializados de la universidad, o libros más especializados o publicaciones técnicas de las empresas fabricantes.
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Hay dos cosas que se debe tener en cuenta al momento de modelar y simular.
Un primer hecho es estar bien actualizado en lo que se refiere a los estudios en energías renovables… cada vez se hace más y más investigación en este tipo de energías debido a que serán pronto una de las principales matrices energéticas mundiales. Y cada vez se consideran fenómenos que antes no habían sido estudiados, o que se conocían pero eran difíciles estudiarlas o no se conocían y con el desarrollo de equipos de más y más capacidad… recién los mismos o sus efectos han sido descubiertos y considerados.
Un segundo punto imporantísimo es saber trabajabar la herramienta de computación… en éste caso hablamos de Matlab/Simulink. Las entradas están ahi y podrán ver los que tienen más manejo de Matlab/Simulink que ecuación estamos hablando, que opciones use o que criterios seguí. A partir de ahi pueden seguir profundizando su tema de estudio o si en caso, comprender y explicar lo que dice la gráfica. Quién se desea enganchar de golpe, quizás tenga alguna dificultad en trabajar el tema. Es por ello, que damos el curso, además de charlas, asesoramiento y orientación sea para los nuevos y también para quienes con algo de conocimiento desean pues avanzar más rápido en sus respectivos motivos de estudio, trabajo o investigación.
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Hola… Gracias por sus visitas. Como podrán ver en el gráfico anterior, este mes de marzo hemos superado en visitas a lo registrado en meses anteriores. Gracias también por sus emails en que hacen preguntas, comentarios y sugerencias… de las preguntas que nos llega durante la semana, colocaremos algunas entradas que bien puedan también servir de referencia o orientación a todo este universo de habla hispana y portuguesa que visita el blog.
A quienes también les guio como un asesor en sus trabajos académicos y de investigación, gracias también por confiar en mi persona… esta labor que de todo es gratificante ya por el mismo hecho de estar elaborando nuevas entradas, se ve nutrido por la conversaciones que realizamos durante las semanas, lo que permite afinar bien los contenidos.
Visiten las demás entradas, pasen la voz a sus amigos… recuerden que en Agosto dicto un Tutorial en el INTERCON 2011, visiten también mis otros blogs, que aunque no tan implementados como éste, pero ahí también lo vamos construyendo.
También las visitas durante semanas ha ido en aumento, es significa que tenemos acogida y/o que la labor que realizo en este blog al menos merece la pena visitarlo. Las estadísticas por semana las muestro a continuación:
PD. Las visitas de hoy son los que van hasta esta hora 16:43 horas de hoy sábado 2 Abril 2011, hora de Lima PERU.
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Durante la tesis de maestria hemos trabajado en microgrids… bueno aca les muestro otro diagrama relacionado al tema. Como verán la microgrid esta compuesta por diferentes equipos con sus respectivas variables de entrada como pueden ser la velocidad del viento, irradiación, temperatura, etc. Pero tambien tienen un sistema de gestión de la microgrid que tiene que ver con la evaluación, control y fiabilidad de la energía produdica, generada y consumida.
A parte de eso se tiene una entrada de energía proveniente de una fuente de energía convencional. El sitio en donde se conectan tanto la microgrid con la fuente convencional se llama: Punto de Común Acoplamiento. Al cual también el sistema de control tiene acceso para monitorear cuanta energía está ingresando a la microgrid (comprando energía) o cuanta se está inyectando a la red convencional (vendiendo energía).
La figura ha considerado una microturbina de gas que aún no lo hemos desarrollado, pero por experiencia se puede desarrollar en Matlab/Simulink partiendo de los textos básicos de mecánica de fluidos, transferencia de calor, máquinas térmicas, energética, etc… De hecho, todo lo que ha sido modelamiento de una microgrid lo hemos iniciado y muestra de ello están en las entradas anteriores… que seguimos trabajando el tema, claro, además es interesante y mientras más alumnos esten desarrollando su tesis en esto… mejor y si hay cooperación en investigación y desarrollo? Bienvenidas sean las actividades de cooperación, además de las de presentación y desarrollo de proyectos de investigación.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
Group of Mathematical Modeling and Numerical Simulation (GMMNS).
Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, Perú.
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En todas las consultas que he recibido, todos desean hacer un gran diseño complejo y lo bastante moderno… pero detras de todo esto están ecuaciones sencillas y simples que nos dan los modelos ideales de aquellos equipos o máquinas que se desea modelar.
Quiero decir que para hacer un modelo complejo se debe comenzar desde el lado mas sencillo del asunto… y poco a poco ir agregándole aquellos detalles que lo harán tan preciso y complejo como sea imaginable.
Por ejemplo: imaginemos que deseamos simular un gran transformador de potencia. Podemos comenzar por el modelado de un transformador ideal, vale? sus relaciones de voltaje, corriente y espiras son simples. Luego podemos ir agragandole lo que son resistencia de los conductores, las inductancias y las capacitancias asi colocados con valorees de L y C fijos o establecidos por pruebas o información de catálogos. De ahi podemos hacerlo más complejo como colcoar la influencia del material magnético, las pérdidas de densidad, los efectos skin en las placas del material… podemos ir más alla en todo ello.
De igual manera pienso se procede en todos los casos en que hay que hacer modelamientos y simulaciones… asi sabremos cada uno, que limitaciones y que considerandos se van tomando. Recuerden que si tengo una aula con 20 alumnos y les digo que hagan un modelo del sistema «x» puede ser que haya 20 modelos diferentes y sería normal si los hay… cada quien lo puede representar en base a su experiencia o a su interés que persigue…
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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