7 ensayos -...
TRANSCRIPT
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
111
7Ensayos
7.1CaracterizacióndepiladecombustibleCon el objetivo estudiar mejor el comportamiento y caracterizar la pila de combustible se ha
procedido al ensayo de la pila.
El ensayo ha consistido en la demanda de potencia a la pila de combustible a saltos de potencia en
el rango de 100 a 600 W. Y la medida del caudal másico de hidrógeno consumido.
Obteniendo los siguientes resultados:
Pot (W) Nl/min 100 0,57156 0,82206 1,07256 1,32306 1,53
357,5 1,755402 2,1
458,5 2,315510 2,6558 2,8619 3,1
Tabla 17: Resultados de caracterización de pila de combustible
Ilustración 96 ‐ Gráfica de caracterización de la pila de combustible
Con los datos de densidad y Poder Calorífico Inferior, podemos hallar el rendimiento energético
de la pila de combustible para diferentes potencias eléctricas de funcionamiento.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
100 156 206 256 306 357,5 402 458,5 510 558 619
Cau
dal H2 (Nl/min)
Potencia eléctrica (W)
Relación consumo de H2 y Potencia eléctrica
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
112
0 0899; 120
P eléctrica (W) Rend
100 48,8%156 52,9%206 53,5%256 53,9%306 55,6%
357,5 56,6%402 53,2%
458,5 55,1%510 54,5%558 55,4%619 55,5%
Gráficamente:
Ilustración 97 ‐ Rendimiento de la pila vs potencia eléctrica
Siendo el punto de máximo rendimiento a 357 W, con un rendimiento del 56’6%.
44,0%
46,0%
48,0%
50,0%
52,0%
54,0%
56,0%
58,0%
100 156 206 256 306 357,5 402 458,5 510 558 619
Rendim
iento de la pila
Potencia eléctrica (W)
Rendimiento vs Potencia eléctrica
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
113
7.2CaracterizacióndeelectrolizadorTambién se ha procedido a realizar un ensayo similar al de la pila de combustible, inyectando una
potencia en el electrolizador y midiendo el caudal másico de hidrógeno generado.
El ensayo se ha realizado inyectando saltos de potencia entre 100 y 650W.
Pot elec (W) Q H2 (Nl/min)
100 0,40142356
200 0,83244531
300 1,28155654
400 1,69229497
500 2,07683701
600 2,48669119Tabla 18: Resultados de caracterización del electrolizador
Ilustración 98 ‐ Gráfica de caracterización del electrolizador
Siguiendo una recta prácticamente lineal
Con los datos de densidad y Poder Calorífico Inferior, podemos hallar el rendimiento energético
de la pila de combustible para diferentes potencias eléctricas de funcionamiento.
0 0899; 120
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00
Cau
dal H2 (Nl/min)
Potencia eléctrica (W)
Relación generación de H2 y Potencia eléctrica
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
114
Ilustración 99 ‐ Rendimiento del electrolizador vs Potencia eléctrica
El electrolizador encuentra su punto de máxima eficiencia para 300 W, con un rendimiento del
76’8%.
73,0%
73,5%
74,0%
74,5%
75,0%
75,5%
76,0%
76,5%
77,0%
200,0 300,0 400,0 500,0 600,0
Rendim
iento
Potencia Eléctrica (W)
Rendimiento vs Potencia eléctrica
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
115
7.3Caracterizacióndeconvertidoresdc/dc
7.3.1ConvertidordepiladecombustibleSe ha procedido a caracterizar el rendimiento del convertidor de la pila de combustible a
diferentes potencias.
Para ello se ido asignando saltos de potencia de consigna y midiendo la potencia en el lado del bus
de corriente, y en lado de la pila de combustible.
Los resultados han sido:
Pot pila (W) Pot bus (W) Rendimiento100 65 65,0%156 120 76,9%206 170 82,5%256 219 85,5%306 272 88,9%
357,5 310 86,7%402 366 91,0%
458,5 415 90,5%510 462 90,6%558 510,5 91,5%619 559 90,3%
Tabla 19: Resultados de caracterización de convertidor de pila de combustible
Gráficamente
Ilustración 100 ‐ Gráfica de caracterización de convertidor de pila de combustible
El resultado de cruzar los datos de rendimiento de la pila de combustible con el del convertidor de
la pila de combustible, obtenemos los siguientes datos de rendimiento para el conjunto
Pila+convertidor.
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
70,0%
80,0%
90,0%
100,0%
100,00 156,00 206,00 256,00 306,00 357,50 402,00 458,50 510,00 558,00 619,00
Rendim
iento eléctrico
Potencia lado de la pila (W)
Rendimiento del convertidor del electrolizador
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
116
P eléctrica bus (W) Rend. convertidor pila 65 31,7%
120 40,7%170 44,2%219 46,1%272 49,4%310 49,1%366 48,5%415 49,9%462 49,4%
510,5 50,7%559 50,1%
Gráficamente:
Ilustración 101 ‐ Rendimiento convertidor + pila
El punto de máxima eficiencia se encuentra para una potencia de 510 W, con un rendimiento del
50’7%.
7.3.2ConvertidordelelectrolizadorAnálogamente se ha procedido a caracterizar el convertidor del electrolizador.
Obteniendo los siguientes resultados:
Pot electrolizador (W) Pot bus (W) Rendimiento
100 102,421575 97,6%
200 206,835974 96,7%
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
65 120 170 219 272 310 366 415 462 510,5 559
Rendim
ento
Potencia en lado del bus (W)
Rendimiento convertidor + pila
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
117
300 315,994423 94,9%
400 425,947084 93,9%
500 535,451956 93,4%
600 645,455765 93,0% Tabla 20: Resultados de caracterización de convertidor del electrolizador
Ilustración 102 ‐ Gráfica de caracterización de convertidor del electrolizador
El resultado de cruzar los datos de rendimiento del electrolizador con el del convertidor del
electrolizador, obtenemos los siguientes datos de rendimiento para el conjunto
electrolizador+convertidor.
P eléctrica bus (W)
Rend Electrolizador + Convertidor
206,835974 72,4%315,994423 72,9%425,947084 71,4%535,451956 69,7%645,455765 69,3%
Gráficamente:
80,0%
85,0%
90,0%
95,0%
100,0%
100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00
Rendim
iento eléctrico
Potencia lado del electrolizador (W)
Rendimiento convertidor electrolizador
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
118
Ilustración 103 ‐ Rendimiento electrolizador + convertidor
El punto de máxima eficiencia se encuentra para una potencia de 316 W, con un rendimiento del
72’9%.
67,0%
68,0%
69,0%
70,0%
71,0%
72,0%
73,0%
74,0%
206,8359737 315,9944226 425,9470841 535,4519556 645,455765
Rendim
ento
Potencia eléctrica lado del bus (W)
Rendimiento electrolizador + convertidor
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
119
7.4CaracterizacióndebateríasPara el correcto control del sistema se hace imprescindible el conocimiento de las características
de las baterías.
Para ello se ha procedido a la descarga intermitente de las baterías, partiendo de un punto
conocido. Intermitentemente se ha descargado las baterías a una tasa de 25 A en ciclos de 30 minutos.
Ilustración 104 ‐ Caracterización de baterías
Gracias a este ensayo podemos relacionar la tensión interna de las baterías, con el estado de
carga.
Ilustración 105 ‐ Relación de estado de carga y tensión interna de baterías
0
10
20
30
40
50
60
0,00
0,51
1,02
1,53
2,03
2,54
3,05
3,56
4,07
4,58
5,08
5,59
6,10
6,61
7,12
7,63
8,13
8,64
9,15
9,66
10,17
10,68
11,18
11,69
12,20
Tiempo minutos
Tensión (V)
Corriente (A)
0
10
20
30
40
50
60
Tensión interna baterías (V)
Estado de carga (SOC)
Relación SOC ‐ Tensión interna baterías
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
120
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
121
7.5Ensayodeplantaduranteundía
Para probar el correcto funcionamiento del programa de control se ha procedido a realizar una
prueba de funcionamiento durante 24 horas con dos perfiles de generación y demanda de energía.
Debido a la avería del convertidor de la pila de combustible no se ha podido realizar la prueba de
conjunto físicamente. Para suplir esa cadencia, se ha procedido al diseño en Simulink del modelo de
planta, y sus respectivos equipos, el cual estará comunicado con el servidor OPC utilizado por el PLC de
control con el OPC Toolbox de Matlab. Además se ha utilizado como controlador el simulador de PLC
que incluye Unity.
Ilustración 106 ‐ Esquema de simulación del sistema completo en un día
Para la curva de generación se ha utilizado los datos de generación eólica para un día de Junio
obtenido de la web de Red Eléctrica, y para los datos de generación fotovoltaica se ha utilizado los datos
de radiación media para el mes de Junio en Sevilla. Todos estos datos han sido escalados para la
coincidencia con nuestra planta.
Para la curva de demanda se ha utilizado los datos de demanda de un día de Junio obtenidos de la
web de Red eléctrica. Con estos datos la simulación no sería para una vivienda, ni para una industria.
Sería válido para la demanda general de la red eléctrica. Esto datos han sido escalados para la
coincidencia de nuestra planta.
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
122
Ilustración 107 ‐ Potencia demandada y generada en ensayo diario
En términos energéticos, se ha generado más energía que se ha consumido.
Energía demandada: 29’24 kWh
Energía generada: 32’423 kWh
Sobregeneración: 10’9%
Después de realizar el ensayo obtenemos los siguientes resultados.
Balance de energía comprada y vendida a la red eléctrica:
En el gráfico podemos ver la evolución de potencia vendida y comprada a la red eléctrica.
Ilustración 108 ‐ Evolución de venta compra de electricidad
Energéticamente:
Energía vendida: 6’12 kWh
Energía comprada: 1’74 kWh
Balance de hidrógeno generado y consumido:
En el gráfico podemos apreciar la evolución de generación y consumo de hidrógeno
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Potencia (W
)
Hora del día
Potencia demandada
Potencia generada
0
500
1000
1500
2000
2500
0:00
0:57
1:55
2:53
3:50
4:48
5:46
6:43
7:41
8:39
9:36
10:34
11:32
12:29
13:27
14:25
15:22
16:20
17:18
18:15
19:13
20:11
21:08
22:06
23:04
Vendida
Comprada
Automatizacióndemicro‐redeléctricaconfuentesrenovablesyalmacenamientodeHidrógeno
123
Ilustración 109 ‐ Evolución de consumo y generación de hidrógeno, y estado de caga de baterías
Balance:
Hidrógeno generado: 1’594 Nm3
Hidrógeno consumido: 0’863 Nm3
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
1
2
3
4
5
6
0:00
0:51
1:43
2:35
3:26
4:18
5:10
6:01
6:53
7:45
8:36
9:28
10:20
11:11
12:03
12:55
13:46
14:38
15:30
16:21
17:13
18:05
18:56
19:48
20:40
21:31
22:23
23:15
% carga
Nl/min
Hora del día
Caudal H2 Electrolizador Caudal H2 Pila SOC Baterías