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Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
Group of Mathematical Modeling and Numerical Simulation (GMMNS).
Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, Perú.
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Las microredes son sistemas eléctricos con capacidades de hasta 10 MVA, lo cual para América Latina es una potencia apreciable, sin embargo, en los estándares mundiales 10 MVA es un pizca energética y para lo cual hay que estar ya desde la formación universitaria acostumbrados a realizar todos los cálculos posibles bajo lo que acarrea en equipamiento ese nivel de potencia. La figura muestra un esquema de configuración de microred de corriente continua – acá nada que ver con la absurda y nostálgica idea de la lucha entre AC y DC, esas cosas son arcaicas y quedaron en el pasado, dado que son las actuales necesidades energética y de distribución las que determinan las decisiones en el mercado eléctrico – podrán ver entre elementos entre baterías electroquímicas, super condensadores, celdas de combustible, cargas eléctricas y una conexión hacia la red eléctrica externa. Hay mucha electrónica de potencia?…. Pero sí y lo hay, y no es que se quiera decir que se necesitan muchos ingenieros electrónicos, se necesitan pero buenos, además, estos sistemas ya tienen cierta madurez y son de fabricación masiva y lo bueno es que tienen todas las herramientas para una operación inteligente, así que evitaremos que las empresas nos vengan con el cuentito de que necesitan mantenimiento cada cierto tiempo – cosa que suele suceder es falso y en algunos equipos bastante absurdo – dado el reporte con que suplen con información al controlador central de la microred. Microredes y sus componentes es lo que ahora investigo mediante modelamiento matemático y simulaciones numéricas con Matlab/Simulink…
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Ante la implementación de un plan de instalación de central solar fotovoltaica se tiene a la mano los registros de irradiación solar diaria, los cuales no nos aportan mucho para ver el desempeño durante las horas del día de una central solar fotovoltaica. Entonces ante ello, hay que plantear escenarios bastante juiciosos para evaluar la producción de electricidad de la central fotovoltaica. Hay por lo general tres escenarios: pésimo, normal y optimista. En el peor de los casos, con poca área para la colocación de los escenarios y una baja radiación es el escenario pesimista (un mal año). El escenario normal es considerando los promedios anuales medios o semejantes que implican pues un escenario casi predicho en que si no hay condiciones adversas es lo que se puede presentar. El escenario optimista es considerando enre las mejores condiciones registradas aquellas a sana juicio pueden representar un funcionamiento bastante bien de la central. La potencia producida se muestra en la gráfica bajo los tres escenarios: pesimista (1), normal (2) y optimista (3). Hecho en Maltab/Simulink of MathWork Inc.
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El Laboratorio Nacional de Energías Renovables de los Estados Unidos de América (NREL) ha publicado un compilado de las eficiencias obtenidas en laboratorio de celdas solares fotovoltaicas a nivel mundial en su versión 2015. En anterior post había colocado una versión anterior en que el horizonte era el 2010. Ahora se puede ver como avanza la tecnología en este aspecto a eficiencias cada vez más próximas al límite teórico. Y se ha logrado hasta un escalofriante abrigador 46.9 % de eficiencia (guau). Ok, en fin, seguirán de hecho mejorando y obteniendo a partir de ahi productos que se comercialicen a precios cada vez más competitivos. Tenemos sol para cubrir varias veces nuestras necesidades mundiales de energía. Esperemos que con el tiempo, no se privatice el sol (como ha sucedido en España, cosa descabellada) y que cada quien pueda tener sus paneles solares fotovoltaicos y sus termas solares para tener una mejor calidad de vida.
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En este post rescato la información de los promedio anual de radiación diaria sobre los capitales de cada región del Perú. Considerando que son las capitales de región, por lo general, las que tienen una mayor población, mayor actividad económica, instalaciones más grandes en todos los aspectos de la vida social y económica. Puede servir como un aproximado para cálculos sustentatorios de instalaciones que aprovechen la energía solar sea para producción de electricidad y calor a nivel de cada región. Al parecer hay cierto promedio anual en casi todas las regiones con algunas variaciones. Ciertamente mientras mas grande sea la instalación se requerirá ya la data más exacta, y si es instalaciones de celdas fotovoltacias mucho más grandes, equipos de medición en tiempo real se hacen necesario porque en base a los datos captados se define la operación del sistema planta solar fotovoltaica. Espero les sirva.
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El mapa solar del Perú lo puedes encontrar en las webs oficiales del Perú y algunas otras publicaciones. Como es mi país natal, la coloco en este post. Somos privilegiados de tener un buen sol y lejos de las grandes aplicaciones en centrales solares de varios MW, están las aplicaciones de baja potencia que pueden beneficiar a la población, las escuelas, los centros de producción manufacturera, los colegios, mercados, establecimientos de salud. En ellos no serán grandes potencias, sin embargo, traen conford y son sostenibles en el largo plazo de vida operacional de cada uno de ellos. Hay que quitarse ese mediocre idiosincracia que sea técnico – económico rentable fijándonos solamente en el dinero, hay otros elementos adicionales a poner en valor: el conford de las personas, la impacto en su formación como estudiante o poblador sobre cuidado del medio ambiente al ver y sentir que las renovables permiten satisfacer su consumo de electricidad y calor y a la vez cuida el medio ambiente. Tenemos un país maravilloso en climas, las organizaciones de base acá y en Latinoamérica deberían impulsar en todos los locales comunales, escuelas, colegios, establecimientos de salud, talleres, etc… paneles solares fotovoltaicos para la producción de electricidad y termas solares para tener agua caliente, sería una forma de mejorar la calidad de vida y contribuir a cuidar nuestros microclimas, los cuales en Perú son miles miles de microclimas.
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La imagen (la cual es diferente al anterior post J844) forman parte importante de los datos que sirven de trabajo en este trabajo de investigación sobre microredes y energías renovables. En muchos casos es necesario evaluar el potencial energético y la hora es una medida de tiempo bastante usada. Los medidores hacen un promedio de sus lecturas durante una hora y esa es considerada para evaluar el desempeño de un posible sistema de solar fotovoltaica, solar térmico o almacenamiento térmico. La gráfica muestra los datos tomados durante cada hora a lo largo de un año calendario. El comportamiento de la curva es un indicador de la inclinación de la Tierra a lo largo durante un año. Condiciones locales de nubes, lluvias u otros fenómenos definen esos altos y bajos que se observan. Dicho comportamiento por lo general bastante aleatorio, se procura compensar mediante técnicas de control, optimización y predicción que aprovechen sacar el máximo provecho al recurso solar disponible.
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La figura muestra los datos de lectura de irradiación solar durante un año calendario. Se puede apreciar la forma como los movimientos de la Tierra definen el valor de la irradiación solar máxima. La data ha sido procesada considerando como eje la fecha de cada día, en ella, algunas fechas representativas son mostradas. Existen modelos matemáticos que permiten calcular y predecir dicho comportamiento dependiendo de la latitud y longitud del lugar durante el año. Los datos son valiosos y parte fundamental de los procesos de simulación, sin embargo, en caso de ausencia modelos matemáticos teóricos usándolos con el adecuado criterio técnico pueden servir también. Matlab permite altas prestaciones en el manejo de datos.
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Enlace Parte 1: https://youtu.be/4k7BPpdO_H0
Enlace Parte 2: https://youtu.be/St4dRPdZG_k
Comparto con Uds. la presente filmación de la conferencia organizada por la Rama Estudiantil de la IEEE – Sociedad de Potencia de la Universidad Nacional de Ingeniería en Lima, Perú, y con el agradecimiento de las personas todas desde antes hasta la fecha que hicieron posible esto…
Atte: Jorge Mírez – UNI – PERU
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Como producto del programa del Estado Peruano de implementación de energías renovables, las empresas privadas han hecho realidad dos centrales solares fotovoltaicas en la Región Arequipa, ubicada al norte de Tacna en donde existe una central solar fotovoltaica. Bueno, en si Arequipa se ha caracterizado de usar tecnología solar térmica para producción de agua caliente en domicilios, hoteles y centros de producción. El recurso solar es abundante en la zona sur del Perú y es algo que se debe aprovechar, además, la central solar produce en DC y son los inversores los que definen la calidad de la energía eléctrica que es inyectada a la red nacional. Además, hay que considerar que la producción desde renovables tiene prioridad en el despacho e inyección hacia el sistema nacional de electricidad operado por COES. Es mi deseo que las universidades locales estén involucradas en el diseño, transferencia de tecnología y operación de dichas centrales lo que conllevaría a una formación de capital humano no existente en el Perú y el que el Ministerio de Energía y Minas ni el Gobierno se les ocurrió que como parte de dichas construcciones se haga algo de transferencia de tecnología, se construya algunas cosas acá o se diseñen en las universidades… hemos sido simplemente unos malos compradores…
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Una de las primeras plantas productoras de energía solar a partir de una central solar fotovoltaica con una potencia nominal de 20 MWp. Ubicado en el sur del Perú, en la región Tacna que es fronteriza a Chile, en sí, es zona de ubicación de la parte desértica que comparten Perú y Chile en donde la irradiación solar es una de las más altas de todo el mundo. Las figuras observan los datos característicos de dicha planta obtenida de la web oficial de OSINERGMIN. El diagrama esquemático de la planta solar fotovoltaica es interesante a considerar como cuestión de diseño y también para el análisis de su funcionamiento. Hay alguna empresa que desee que trabaje con sus datos de producción como planta solar o parque eólico ?… Modelos matemáticos de paneles solares monocristalinos y policristalinos pueden ser desarrollados, así como, métodos de optimización de producción de energía eléctrica y seguimiento del punto de máxima potencia. Un poco más al norte de Tacna hay más plantas de producción solar fotovoltaica de energia eléctrica que describiré en siguientes post’s.
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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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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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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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Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
Group of Mathematical Modeling and Numerical Simulation (GMMNS).
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Cuando la radiación solar incide sobre un panel parte se transforma en energía eléctrica, otra parte se refleja, otra atraviesa el panel (excepto aquellos que tienen un tapa de polímero en la parte posterior) y parte se queda cambiando la cantidad de energía interna con el consiguiente incremento de la temperatura de las celdas fotovoltaicas. La figura, resultado de un estudio térmico sobre paneles nos arroja la temperatura en la parte posterior de un panel con tapa (que ya no deja pasar la luz hacia atrás porque tiene una superficie que lo cubre, bien para reflejar o bien para soporte) y la temperatura en estado estable fijada en el interior del panel, y esta curva cambia debido a que en el eje horizontal se ha considerado la velocidad del viento que indice sobre el panel enfriándolo (llevándose consigo parte de la energía térmica capturada por el panel fotovoltaico de la irradiación solar). Hecho en Matlab de MathWorks para quienes gustan de los procesos de modelamiento y simulación en todos los campos… Inviten si hay trabajo o proyectos que sean de hecho pagados…
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Fecho este post codificado con J800 con un cuadro que menciona las tecnologias que harán posible el próximo o casi ya actual mercado energético mundial. Casi ya, debido a que muchas de ellas se vienen ya implementando y otras en continuos y avanzados estados de investigación, innovación y desarrollo. Están tipificados según sus características funcionales y que hacen posible la comparación entre ellas. Algunas técnicas de medición, predicción, gestión, optimización y control pueden ser familiares entre ellas debidos a su propia naturaleza de funcionamiento. Hay mucho campo por estudiar en el sector energía, cada temática es una apasionante ventana hacia un conocimiento que se ve y será cada vez más novedoso en cuanto a tecnologías… No seamos simples lectores, intentemos ser parte de este cambio aunque sea aportando un granito de arena, al menos como lo hago mediante este blog, mis otros blogs y modelamiento y simulaciones numéricas con Matlab/Simulink
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En la figura se muestra un estimado del impacto de las bandas prohibidas sobre la eficiencia máxima teórica de los materiales fotovoltaicos tanto para AM0 y AM1. La figura incluye bandas prohibidas y efieiencias máximas para cualquiera de los más prometedores materiales fotovoltaicos que se vienen desarrollando hoy. El motivo de la depleción hacia los lados es causado por (a) fotones con insuficiente energía para colocar electrones dentro de la banda de conducción y (b) fotones con energía en exceso de lo necesario, entre otros factores como: recombinación de huecos y electrones antes que ellos puedan contribuir al flujo de corriente, resistencia interna de la celda la cual disipa potencia, fotones que no son absorbidos.
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Conocemos que la banda prohibida del silicio es 1.12 eV lo cual corresponde a la longitud de onda de 1.11 micrómetros, esto hace que cualquier energia en el espectro solar con longitudes de onda más largas que 1.11 micrómetros no pueda enviar un electrón a la banda de conducción. Y, cualquier fotón con longitud de onda menor a 1.11 micrómetros desechará su energía extra. Según la curva AM 1.5, 20.2 % de la energía en el espectro se pierde debido a que los fotones tienen menos energía que la banda prohibida (hv < Eg), y otro 30.2 % se pierde debido a que los fotones tienen hv > Eg. El remanente 49.6 % representa la máxima posible fracción de la energía del sol que puede ser colectada por una celda solar de silicio. Es decir, estas restricciones impuestas por la banda prohibida del silicio limitan la eficiencia del silicio a un poco menos del 50%… he ahí la labor de lograr esa eficiencia ideal.
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Los costos de amortización de la generación fotovoltaica cayó dramáticamente en los 90’s. Los costos cada vez más asequibles de los paneles fotovoltaicos hacen que estos sean ya factibles de disponer en hogares, talleres, colegios, etc… pero hay que sostener un gestión para que sea parte de las normativa de cada país el que cada ahora cliente del servicio público de electricidad pueda ser un generador de energía eléctrica para su propio consumo y si logra producir más pueda entonces vender a la red eléctrica externa. Este período que se observa en la figura implica muchos cambios tecnológicos en la producción de los paneles solares, he hicieron muchas mejoras y es bueno que los grupos de investigación se enteren para que puedan estar al tanto de las numerosas técnicas que se desarrollaron en aquella época. En cuanto a la normativa, me apunto…
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Datos Generales
Good day. My full name is Jorge Luis MIREZ TARRILLO.
I am Peruvian and live in Lima, capital of Perú in South America.I am Mechanical Electrical Engineering, MSc Physics and Dr. Physics (title doctoral thesis: Control, Optimization, and Management of Microgrid Current Direct)
Too, actually job as Principal Professor in Faculty of Oil, Gas and Petrochemical Engineering of Universidad Nacional de Ingeniería (National University of Engineering) in Lima – PERU (Courses: Modern Physics, Differential Equations and Research's Methodology)
My subjects of my interest are control, signal processing, optimization, simulation, biomedical research, smart grid, microgrid, water.
I have experience in Matlab/Simulink programming, biomedical equipment, electrical systems, renewable energies, microgrids, saturated steam systems 100 psi and organizing academic events.
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