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Equation Chapter 1 Section 1
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica
Desarrollo de simulador gráfico para microrredes
con energías renovables.
Resumen en Español.
Autor: Luis Marzo Román
Tutores: Carlos Bordons Alba
Luis Valverde Isorna
Departamento de Sistemas y Automática
Departamento de Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2017
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Índice
Indice 2
Indice de figuras 3
1 Introduction 4 1.1. Introducción 4 1.2. Objetivos 4 1.3. Metodología 4
2 Tipos de sistemas 6 2.1. Aerogenerador 6
2.1.1 Implementación en simulink 6 2. 2. Generador fotovoltaico 7
2.2.1 Implementación en simulink 7 2. 3. Microturbina de gas 9
2.3.1 Implementación en simulink 9 2. 4. Electrolizador PEM 9
2.4.1 Implementación en simulink 9 2. 5. Hidruro metálico 11
2.5.1 Implementación en simulink 11 2. 6. Pila de combustible 14
2.6.1 Implementación en simulink 14 2. 7. Batería estacionaria 15
2.7.1 Implementación en simulink 15
3 Modelo completo e interfaz de usuario 17 3.1. Sistema completo 17 3.2. Interfaz de usuario 18
4 Análisis y conclusiones 20 4.1. Análisis 20
4.2. Conclusions 25
3
Índice de Figuras
Figura 1. Modelo en simulink del aerogenerador AIR 403
Figura 2. Simulación del aerogenerador frente a una entrada en escalón.
Figura 3. Curvas I-V a distintas temperaturas
Figura 4. Curvas I-V a distintas irradiancias. Figura 5. Potencia generada por la microturbina
Figura 6. Modelo en simulink del electrolizador PEM
Figura 7. Modelo en simulink del electrolizador PEM. Estructura interna.
Figura 8. Curva I-V del electrolizador PEM
Figura 9. Caudal de hidrógeno producido por el electrolizador PEM.
Figura 10. Submodelo de carga del hidruro metálico.
Figura 11. Submodelo de descarga del hidruro metálico.
Figura 12. Presión a la entrada del hidruro.
Figura 13. Temperatura en el proceso de carga del hidruro
Figura 14. Temperatura en el proceso de descarga.
Figura 15. Implementación en simulink de la pila de combustible
Figura 16. Curva I-V de la pila de combustible.
Figura 17. Caudal de hidrógeno consumido. Figura 18. Modelo en simulink de la batería
Figura 19. Salida de la batería frente a escalón de corriente
Figura 20. Sistema completo
Figura 21. Interfaz con el usuario
Figura 22. Interfaz con el usuario. Parámetros
Figure 23. Primera simulación
Figura 24. Segunda simulación
Figura 25. Tercera simulación
Figura 26. Cuarta simulación
Figura 27. Quinta simulación
Figura 28. Sexta simulación
Figura 29. Séptima simulación
Figura 30. Octava simulación
Figura 31. Novena simulación
Figura 32. Decima simulación
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CAPÍTULO 1
Introducción
Índice ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2. Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.3. Metodología. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1.1. Introducción
Actualmente apostar por los sistemas de energía renovable constituye una medida
indispensable para la sostenibilidad de los recursos del planeta. Las renovables son
fuentes de energía limpia, inagotable y crecientemente competitiva.
El gran interés que está surgiendo por las energías renovables es debido a que estas
fuentes ayudan a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, contribuyen
a la creación de empleo y al desarrollo tecnológico.
1.2. Objetivos del Trabajo
El objetivo es claro: Vamos a desarrollar un simulador gráfico para microrredes con
energías renovables.
1.3. Metodología del trabajo
1. Estudio y análisis de sistemas de almacenamiento de hidrógeno y sistemas de
producción de energía renovable.
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2. Modelado matemático individual de todos los sistemas de potencia y
almacenamiento.
3. Implementación y simulación de estos sistemas en el entorno de programación
Simulink.
4. Construcción de una microrred con todos los sistemas mencionados
anteriormente.
5. Programación de diferentes modos de funcionamiento de la microrred.
6. Evaluación de la microrred completa.
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CAPÍTULO 2
Tipos de sistemas
Índice ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.1. Aerogenerador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
2.2. Generador fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3. Turbina de gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
2.4. Electrolizador PEM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
2.5. Tanque de hidruro metálico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.6. Pila de combustible PEM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.7. Baterías estacionarias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.1. Aerogenerador
Un aerogenerador se define como un generador de energía eléctrica que es accionado por
la fuerza del viento. Los más comunes y eficientes son los tri-palas de eje horizontal, pero
también existen los generadores de eje vertical.
2.1.1. Modelo en simulink del aerogenerador
El modelo en simulink del aerogenerador es el siguiente:
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Figura 1. Modelo en simulink del aerogenerador AIR 403
La velocidad del viento a la entrada será de 10 m/s y al trascurrir 60 segundos
cambiaremos la referencia a 15 m/s.
Figura 2. Simulación del aerogenerador frente a una entrada en escalón.
2.2. Generador fotovoltaico
Las células fotovoltaicas son dispositivos electrónicos que convierten energía solar en
energía eléctrica mediante el denominado efecto fotoeléctrico. La luz incide sobre un
dispositivo semiconductor normalmente de silicio y compuesto por dos capas
produciendo una diferencia del voltaje entre ellas. Cuando el voltaje consigue conducir
una corriente a través del circuito, se produce un trabajo útil.
2.2.1. Implementación en simulink
Para la comprobación del modelo, representamos la curva I-V primero a distintas
temperaturas y posteriormente a diferentes irradiancias
8
.
Figura 3. Curvas I-V a distintas temperaturas
Figura 4. Curvas I-V a distintas irradiancias.
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2.3. Microturbina de gas
La turbina de gas, también llamada turbina de combustión, es un tipo de motor de
combustión interna la cual se compone de un turbocompresor, una cámara de combustión
y una turbina de gas.
2.3.1. Implementación en simulink
Sometemos al sistema a un escalón de combustible pequeño, pasando de unos 10 g/s a 30
g/s.
Figura 5. Potencia generada por la microturbina
2.4. Electrolizador PEM
La electrolisis consiste en un proceso electroquímico en el cual el agua se divide en
hidrógeno y oxígeno. Cuando una corriente eléctrica pasa a través de los electrodos, se
desprenden gases, concretamente hidrógeno por el cátodo y oxígeno por el ánodo. Esta
descomposición tiene lugar en dos reacciones parciales en los electrodos del sistema,
separados por un electrolito que es capaz de conducir iones.
2.4.1. Implementación en Simulink
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Figura 6. Modelo en simulink del electrolizador PEM
Figura 7. Modelo en simulink del electrolizador PEM. Estructura interna.
Aplicaremos una rampa de potencia al electrolizador para ver su comportamiento. La
característica I-V del electrolizador es la siguiente:
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Figura 8. Curva I-V del electrolizador PEM
Figura 9. Caudal de hidrógeno producido por el electrolizador PEM.
2.5. Hidruro metálico
El almacenamiento y la distribución de hidrógeno constituyen elementos clave de la
economía del hidrógeno. La economía de hidrógeno es un modelo energético alternativo
al uso de combustibles fósiles, en el cual la energía se almacena como hidrógeno.
2.5.1. Implementación en Simulink
12
La entrada al submodelo de carga será la presión de hidrógeno. Para el modelo de
descarga, la entrada al submodelo es el caudal de hidrógeno demandado por la pila de
combustible y se ofrece como salida la presión en el depósito y la cantidad de hidrógeno
desorbido en el proceso.
Figura 10. Submodelo de carga del hidruro metálico.
Figura 11. Submodelo de descarga del hidruro metálico.
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Para la simulación del proceso de carga aplicaremos al hidruro una presión de carga
constante. Dejaremos una entrada constante de 4.5 bar. Para el proceso de descarga, en
vez de presión la entrada será una demanda de hidrógeno constante.
Figura 12. Presión a la entrada del hidruro.
Figura 13. Temperatura en el proceso de carga del hidruro
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Figura 14. Temperatura en el proceso de descarga.
2.6. Pila de combustible
La pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía química de un
combustible en electricidad a través de una reacción de iones de hidrógeno cargados
positivamente con oxígeno o algún otro agente oxidante.
2.6.1. Implementación en simulink
Figura 15. Implementación en simulink de la pila de combustible
15
Figura 16. Curva I-V de la pila de combustible.
Figura 17. Caudal de hidrógeno consumido.
2.7. Batería estacionaria
La batería es un dispositivo que almacena energía eléctrica a partir de procedimientos
electroquímicos. Luego, esta energía acumulada es devuelta en casi toda su totalidad.
2.7.1. Implementación en Simulink
El experimento consiste en obtener la evolución de la tensión de la batería a medida que
se va descargando. Para ello, vamos a someter a la batería a una demanda de corriente
constante. Esta señal de corriente tendrá forma de escalón a 25 Amperios para obtener
unas condiciones estacionarias.
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Figura 18. Modelo en simulink de la batería
Figura 19. Salida de la batería frente a escalón de corriente
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CAPÍTULO 3
Modelo completo e interfaz de usuario
Índice ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.1 Sistema completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Interfaz de usuario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.1. Modelo completo
El principal objetivo de nuestro trabajo es la integración de todos los submodelos y
analizar los resultados. En este apartado, indicaremos como se ha llevado a cabo ese
objetivo.
Figura 20. Sistema completo
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Como ya se ha explicado anteriormente, tenemos un aerogenerador, células fotovoltaicas
y una microturbina que son los sistemas de generación de potencia. Las entradas del
controlador son la potencia generada, la demandada, y los niveles de carga tanto en el
hidruro como en la batería. El controlador manda señales de potencia a la pila de
combustible, batería y electrolizador. Para el hidruro, sus entradas son la demanda de
hidrogeno por parte de la pila y la cantidad de hidrógeno generado por el electrolizador.
3.2. Interfaz con el usuario
El usuario es el que decide cuantos submodelos son los que están activos en cada
simulación. Para ello, hemos creado una interfaz gráfica con la herramienta GUIDE de
Matlab.
Figura 21. Interfaz con el usuario
19
Figura 22. Interfaz con el usuario. Parámetros
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CAPÍTULO 4
Análisis de las simulaciones y conclusiones
Índice ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4.1. Análisis de las simulaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2. Conclusiones y trabajo futuro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
En este capítulo vamos a comprobar el funcionamiento del controlador. Para ello,
someteremos al sistema a varios tipos de simulación.
4.1. Análisis de las simulaciones
Célula fotovoltaica, batería, electrolizador, e hidruro metálico.
Figure 23. Primera simulación
21
Célula fotovoltaica, batería, electrolizador, pila de combustible e hidruro metálico
Figura 24. Segunda simulación
Célula fotovoltaica, microturbina, batería y pila de combustible.
Figura 25. Tercera simulación
22
Célula fotovoltaica, microturbina, batería, electrolizador, pila de combustible e
hidruro metálico.
Figura 26. Cuarta simulación
Microturbina, batería, electrolizador, pila de combustible e hidruro metálico.
Figura 27. Quinta simulación
Microturbina, aerogenerador, batería, electrolizador, pila de combustible e
hidruro metálico.
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Figura 28. Sexta simulación
Célula fotovoltaica, electrolizador, pila de combustible e hidruro metálico..
Figura 29. Septima simulación
Perfil de viento real, batería, electrolizador, pila de combustible e hidruro
metálico.
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Figura 30. Octava simulación
Perfil de día nublado, batería, electrolizador, pila de combustible e hidruro metálico.
Figura 31. Novena simulación
Perfil de día soleado, batería, electrolizador, pila de combustible e hidruro metálico.
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Figura 32. Decima simulación
4.2. Conclusiones y trabajo futuro
En este último capítulo hemos simulado la red para ver el funcionamiento del control en
una red de energías renovables con almacenamiento basado en hidrógeno. Las anteriores
simulaciones muestran un correcto funcionamiento del controlador implementado en la
red.
Para finalizar, debemos recalcar que el sistema de control está correctamente diseñado
para que pueda satisfacer la demanda de energía eléctrica con las restricciones físicas de
cada sub-sistema.
Este no es un trabajo que esté cerrado, sino que brinda la oportunidad a cualquier persona
interesada en coger este proyecto como base y seguir investigando. Esta es la causa de
que tanto la programación, la memoria y la interfaz de usuario estén escritas en inglés.