INTELIGENCIA ARTIFICIAL APLICADA AL DISEÑO Y EVALUACION DE SISTEMAS DE ENERGIA RENOVABLE HIBRIDA PARA EL CONSUMO EN EDIFICIOS HABITACIONALES

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1 INTELIGENCIA ARTIFICIAL APLICADA AL DISEÑO Y EVALUACION DE SISTEMAS DE ENERGIA RENOVABLE HIBRIDA PARA EL CONSUMO EN EDIFICIOS HABITACIONALES Luis Ochoa T., Nicolas Kemper V., Zarela Arroyo R., Guillermo Sovero A. Departamento de Tecnologias de la Informacion, Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnologico, Universidad Nacional Autonoma de Mexico D.F. Mexico, CP , Mexico RESUMEN Este articulo presenta el desarrollo de una herramienta computacional en modalidad Web, que permite optimizar el uso de energía renovable en edificios habitacionales, para satisfacer una fracción de las necesidades energéticas de manera hibrida (térmicas y eléctricas). El objetivo principal de aplicar tecnicas de Inteligencia Artificial a esta herramienta computacional es para (A) optimizar la distribución de las áreas de un par de arreglos de tecnologías solares, (1) Calentadores Solares (CS) y (2) Paneles Fotovoltaicos (FV), limitada al área total de la azotea disponible del edificio habitacional; y (B) para poder estimar la Radiacion Solar para una ciudad en específico de México, donde se desee instalar el sistema. Desde un portal Web, el usuario accede al sistema para diseñar un sistema híbrido de energía renovable, en base a las necesidades de consumo de energía estimadas para el edificio habitacional, tanto de energía eléctrica, como energía térmica; luego para llevar a cabo la estimación de la Rediacion Solar con el mayor grado de certidumbre se desarrollaron dos metodologías: (1) Un método de cálculo basado en el modelo propuesto por Collares- Pereria y Rabl A., y (2) Un modelo inteligente basado en una arquitectura de Red Neuronal; también el sistema inteligente tiene implementado un modelo de optimización basado en Algoritmos Geneticos y la función de aptitud se basa en el ahorro energético-económico que genera el uso de un calentador solar y un panel fotovoltaico; así como al ahorro económico-ambiental por las emisiones de gases de invernadero evitadas al hacer uso de estas tecnologías de energía renovable que le proporciona al usuario la mejor relación en dimensiones, tanto de Paneles Fotovoltaicos, como Calentadores Solares, restringido por el área de azotea disponible en el edificio habitacional para el cual se destine la instalación de este sistema hibrido; logrando con ello satisfacer total o parcialmente la demanda energética especificada. Esta herramienta ha sido transferida a la Comision Nacional de Vivenda dado que este proyecto fue financiado por el Fondo Sectorial de Vivienda Conavi-Conacyt, fue desarrollado en la plataforma ASP.NET y emplea como manejador de Base de Datos Microsot SQL Server. PALABRAS CLAVE: Calentador Solar, Panel Fotovoltaico, Algoritmos Geneticos. 1 INTRODUCCIÓN La electricidad solar no se encuentra lista para su uso en la naturaleza. Para obtener esta nueva forma de energía, el hombre debe diseñar y desarrollar elementos de conversión y captación adecuados. Esta es una nueva oportunidad y hacia ella se enfoca el proyecto Sistema Inteligente para el Diseño y Evaluación de Esquemas Híbridos de Energía Renovable para Satisfacer el Consumo de Energía en Conjuntos Habitacionales impulsado por el CCADET en conjunto con el Fondo Sectorial Conacyt ConaFovi, el cual busca implementar viviendas equipadas de sistemas fotovoltaicos y calentadores solares dependiendo de la estimación de las necesidades energéticas que se requieran. La mayor parte de la energía del mundo se ha obtenido hasta ahora a partir de las reservas fósiles de carbón y petróleo, pero al ser ya previsible el agotamiento de estas, es preciso considerar su conservación y el empleo de otras fuentes. Aunque no se espera que la conservación por sí sola resuelva todos los problemas energéticos, es claro que sí constituye un elemento importante. Varias

2 alternativas ya han empezado a surgir. La historia muestra que desde hace siglos el hombre ha tratado de aprovechar la energía solar. Pero, sólo hasta la década de 1970 es cuando se ha incrementado la investigación y el desarrollo de distintos sistemas de captación y el aprovechamiento de la energía solar, la cual es abundante, universal y no requiere de transporte. No cabe duda de que el petróleo será caro y escaso en unas decadas mas; hecho que, lógicamente, se debería aprovechar en este periodo de tiempo para desarrollar sistemas de energía solar a un nivel económico que puedan hacer frente a la demanda de energía del mundo [1]. SIDEHER es un sistema informático que permite al usuario diseñar un Sistema Inteligente para la Configuración, Evaluación y Optimización de un Esquema Hibrido de Energías Renovables, conformado por Paneles Fotovoltaicos y Calentadores Solares, para cubrir la demanda de Energía de manera óptima desde el punto de vista energético y de sustentabilidad en Edificios Habitacionales, sujeto al área superior del edificio. El objetivo principal del Sistema Inteligente SIDEHER es optimizar la distribución de las áreas de un par de arreglos de tecnologías solares, (1) calentadores solares (CS) y (2) paneles fotovoltaicos (FV), limitada al área total de la azotea disponible del conjunto habitacional. Las otras funciones de SIDEHER, es diseñar y evaluar los arreglos de calentadores solares y paneles fotovoltaicos que se deben instalar en el conjunto habitacional. híbrido es un Algoritmo Genético y la función de aptitud se basa en el ahorro energético-económico que genera el uso de un calentador solar y un panel fotovoltaico; así como al ahorro económicoambiental por las emisiones de gases de invernadero evitadas al hacer uso de estas tecnologías de energía renovable. Base de Datos Radiacion Solar Ambiental PhotoVoltaico Termico Economico OPTIMIZACION SOLUCION Demanda Carga Electrica Demanda Carga Termica Figura 1: Diagrama conceptual del Sistema Inteligente El sistema inteligente SIDEHER está soportado dentro del ambiente de un portal Web, tal como se muestra en la Figura 2. 2 DESCRIPCION DEL SISTEMA El Sistema Inteligente cuenta con varios módulos que cumplen diversas funciones dentro del proceso de diseño, evaluación y optimización, emplea una Base de Datos Climatológicos para estimar la Radiación Solar para una ciudad en específico de México, para llevar a cabo esta estimación con el mayor grado de certidumbre se desarrollaron dos metodologías: (1) Un método de cálculo basado en el modelo propuesto por Collares- Pereria y Rabl A., [2] y (2) Un modelo inteligente basado en una arquitectura de Red Neuronal [3]. También se desarrollaron los métodos para estimar las demandas térmicas y demandas eléctricas del conjunto habitacional y se formuló una metodología para dimensionar el área de calentadores solares y el área de paneles fotovoltaicos. El modelo de optimización para el dimensionado del esquema Figura 2: Pantalla inicial del portal Web de SIDEHER Desde este portal Web, el usuario accede al sistema SIDEHER para diseñar un sistema híbrido de energía renovable, en base a las necesidades de

3 consumo de energía estimadas para el conjunto habitacional, tanto de energía eléctrica, como energía térmica; así también el sistema inteligente tiene implementado un modelo de optimización basado en computación evolutiva que le proporciona al usuario la mejor relación en dimensiones, tanto de paneles fotovoltaicos, como paneles de calentadores solares, restringido por el área de azotea disponible en el edificio habitacional para el cual se destine la instalación de este sistema hibrido; logrando con ello satisfacer total o parcialmente la demanda energética especificada. Para el funcionamiento apropiado del Sistema Inteligente SIDEHER, se le dotó de una metodología para el diseño, evaluación y optimización del esquema hibrido de energía renovable. Esta metodología cuenta con una serie de módulos, cada uno de los cuales realizan funciones específicas. En primer lugar se tiene una Base de Datos Climatológicos de cada una de las ciudades que conforman la República Mexicana. Esta Base de Datos Climatológicas se emplea para estimar la radiación solar para una ciudad en específico de México. El modelo está basado en datos de mediciones meteorológicas y de radiación que se obtuvieron de las Estaciones Meteorológicas Automatizadas EMAS que administra el Servicio Meteorológico Nacional. Se construyó una base de datos relacional en la cual se integró la información proporcionada por las EMAS, así como algunos parámetros geográficos. El universo empleado son 52 ciudades representativas, de las que se tiene información promedio mensual de radiación solar, así como de temperatura mínima, máxima y promedio mensual. Adicionalmente se recopilo información de 85 estaciones meteorológicas del servicio meteorológico nacional, de la cual se tiene información de temperaturas e información adicional de un periodo de 5 años. Para llevar a cabo esta estimación de la radiación solar para un lugar en específico con el mayor grado de certidumbre se desarrollaron dos metodologías: (1) Un método de cálculo basado en el modelo propuesto por Collares-Pereria y Rabl A., y (2) Un modelo inteligente basado en una arquitectura de Red Neuronal. El Modelo Neuronal se alimenta con datos de mediciones meteorológicas y de radiación solar, estos se obtienen de la Base de Datos Climatológicos. Las variables con las que se alimenta el modelo neuronal son: radiación global (W/m2), temperatura ( C), velocidad del viento (km/hr), velocidad del viento máxima (km/hr), dirección del viento ( ), humedad relativa (%), presión atmosférica (Mb), racha ( ), precipitación pluvial (mm), además se agrega el día, mes y año (día juliano), así como la hora en que se registra cada medición. La red neuronal empleada es una red multicapas unidireccional (Multilayer Feedforward), consta de una capa de entrada, dos ocultas y una de salida, tal como se muestra en la figura 3. El modelo obtenido proporciona valores estimados de Irradiación Diaria Global Horaria y de aquí es posible obtener valores promedio mensuales. Con los valores promedio mensuales obtenidos es posible comenzar el diseño y dimensionamiento del sistema fotovoltaico correspondiente. Al evaluar el comportamiento del modelo de estimación neuronal, comparando con datos medidos físicamente, se concluye que la estimación realizada por el modelo es bastante precisa. Este modelo es bastante útil para obtener estimación de radiación solar en puntos donde se cuenta con mediciones de parámetros meteorológicos pero no se tienen mediciones de radiación solar. Figura 3: Topología de la Red Neuronal. Así mismo se desarrollaron los modelos energéticos, económicos y ambientales requeridos para dimensionar y optimizar el esquema híbrido de energía renovable. También se desarrollaron los métodos para estimar las demandas térmicas y demandas eléctricas del conjunto habitacional y se formuló una metodología para dimensionar el área

4 de calentadores solares y el área de paneles fotovoltaicos. El modelo de optimización para el dimensionado del esquema híbrido es un Algoritmo Genético y la función de aptitud se basa en el ahorro energético-económico que genera el uso de un calentador solar y un panel fotovoltaico; así como al ahorro económico-ambiental por las emisiones de gases de invernadero evitadas al hacer uso de estas tecnologías de energía renovable. La optimización del sistema se centra en la maximización de la función objetivo, en otras palabras en la maximización del ahorro energético-ambiental durante el ciclo de vida del proyecto, sujeta a la restricción que impone el área total de la azotea del conjunto habitacional. En la figura 4, se muestra la interfaz de usuario del módulo de optimización, dentro del sistema inteligente SIDEHER. En las Instalaciones del CCADET-UNAM se implementó un arreglo fotovoltaico de 5 módulos para un total de 1000 watts instalados, con el fin de simular la operación del Sistema Inteligente y de diseñar el prototipo de inversor modular de 500 watts a 127 volts, así como para desarrollar el sistema de monitoreo vía Web de la generación eléctrica fotovoltaica integrada con la red eléctrica de CFE. En la figura 5, se muestra una fotografía de esta instalación. Figura 4: Interfaz de usuario para el ingreso de parámetros al Módulo de Optimización del Sistema Inteligente SIDEHER. Figura 5: Arreglo Fotovoltaico de 1000 watts. Pare el desarrollo del prototipo de inversor, se consideró las características de la red eléctrica de México. Este inversor debe estar acoplado al arreglo de paneles fotovoltaicos de tal manera de integrar la generación de energía eléctrica de estos paneles con la red eléctrica de CFE. Así mismo se desarrolló el sistema que permite el monitoreo en línea de la generación eléctrica fotovoltaica desde el portal Web. En lo que se refiere al modelo de sustentabilidad que da soporte ambiental al esquema híbrido de energía renovable, se consideran tres dimensiones para los indicadores de sustentabilidad: económica, social y ambiental, las cuales se relacionan con los esquemas híbridos de energía renovable de acuerdo a las variables más relevantes en cada categoría. Se ha diseñado el modelo adaptativo de sustentabilidad de acuerdo a los indicadores identificados, considerando una metodología de toma de decisiones multicriterio para obtener un índice global de sustentabilidad comparando diferentes escenarios de esquemas de energía renovable integrada o no a sistemas de energía convencional. El proceso general que emplea el sistema SIDEHER para un proyecto de diseño, evaluación y optimización de un esquema híbrido de energía renovable a implementar en conjuntos habitacionales, incluye las siguientes fases:

5 1) Seleccionar la ciudad donde se edificará el edificio o conjunto habitacional 2) Estimar la radiación solar global para la ciudad seleccionada, aplicando el modelo neuronal, o el modelo propuesto por Collares-Pereria y Rabl A. 3) Determinar las demandas de energía eléctrica y térmica del conjunto habitacional 4) Determinar el área de azotea disponible neto para instalar el esquema híbrido de energía renovable 5) Determinar el área de los arreglos de calentadores solares al 100% 6) Determinar el área de los arreglos de paneles fotovoltaicos al 100% 7) Calcular el ahorro económico por el ahorro de energía al hacer uso de calentadores solares 8) Calcular el ahorro económico por el ahorro de energía al hacer uso de paneles fotovoltaicos 9) Calcular el ahorro económico por emisiones de gases de invernadero evitadas al hacer uso de calentadores solares 10) Calcular el ahorro económico por emisiones de gases de invernadero evitadas al hacer uso de paneles fotovoltaicos 11) Optimización de las áreas de calentadores solares y áreas de paneles fotovoltaicos, aplicando el modelo evolutivo. 12) Determinar la proporción de satisfacción de la demanda eléctrica y térmica del edificio. 3 CONCLUSIONES SIDEHER es un sistema informático que permite al usuario diseñar un Sistema Inteligente para la Configuración, Evaluación y Optimización de un Esquema Hibrido de Energías Renovables, conformado por Paneles Fotovoltaicos y Calentadores Solares, para cubrir la demanda de Energía de manera óptima desde el punto de vista energético y de sustentabilidad en Edificios Habitacionales, sujeto al área superior del edificio. Actualmente ha sido transferido para su uso y aprovechamiento a la Comision Nacional de Vivienda, ha sido presentado tambien a directivos de desarrolladores inmobiliarios como Casa Ara, Casas Geo, SADASI, etc; quienes resaltaron los beneficios de usar sistemas de este tipo para futuros proyectos sobre todo en el area de sus desarrollos que denominan Hipoteca Verde. 4 BIBLIOGRAFIA Tésis: [1] Martinez A. D. Sistema de gestión de base de datos como soporte al diseño de un esquema híbrido de energía renovable. Licenciatura Tesis, UNAM, Mexico, Articulo: [2] M. COLLARES PEREYRA and Ari RABL - The average distribution of solar radiation - Correlations between diffuse and hemipherical and between daily and hourly insolation values - SOLAR ENERGY - Vol. 20 pag (1979) Tésis: [3] Rojas P. I. Sistema inteligente hibrido para la estimación de la radiación solar en la republica mexicana. MsC Thesis, UNAM, Mexico, 2012.

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