Departamento de Sistemas y Automática Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla

Transcripción

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 Equation Chapter 1 Section 1 Departamento de Sistemas y Automática Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla,

2 Índice Indice 2 Indice de figuras 3 1 Introduction Introducción Objetivos Metodología 4 2 Tipos de sistemas Aerogenerador Implementación en simulink Generador fotovoltaico Implementación en simulink Microturbina de gas Implementación en simulink Electrolizador PEM Implementación en simulink Hidruro metálico Implementación en simulink Pila de combustible Implementación en simulink Batería estacionaria Implementación en simulink 15 3 Modelo completo e interfaz de usuario Sistema completo Interfaz de usuario 18 4 Análisis y conclusiones Análisis Conclusions 25 2

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 3

4 CAPÍTULO 1 Introducción Índice 1.1. Introducción Objetivos Metodología 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 Objetivos del Trabajo El objetivo es claro: Vamos a desarrollar un simulador gráfico para microrredes con energías renovables Metodología del trabajo 1. Estudio y análisis de sistemas de almacenamiento de hidrógeno y sistemas de producción de energía renovable. 4

5 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. 5

6 CAPÍTULO 2 Tipos de sistemas Índice 2.1. Aerogenerador Generador fotovoltaico Turbina de gas Electrolizador PEM Tanque de hidruro metálico Pila de combustible PEM Baterías estacionarias 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 Modelo en simulink del aerogenerador El modelo en simulink del aerogenerador es el siguiente: 6

7 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 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 Implementación en simulink Para la comprobación del modelo, representamos la curva I-V primero a distintas temperaturas y posteriormente a diferentes irradiancias 7

8 . Figura 3. Curvas I-V a distintas temperaturas Figura 4. Curvas I-V a distintas irradiancias. 8

9 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 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 Implementación en Simulink 9

10 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: 10

11 Figura 8. Curva I-V del electrolizador PEM Figura 9. Caudal de hidrógeno producido por el electrolizador PEM 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 Implementación en Simulink 11

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. 12

13 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 13

14 Figura 14. Temperatura en el proceso de descarga 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 Implementación en simulink Figura 15. Implementación en simulink de la pila de combustible 14

15 Figura 16. Curva I-V de la pila de combustible. Figura 17. Caudal de hidrógeno consumido 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 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. 15

16 Figura 18. Modelo en simulink de la batería Figura 19. Salida de la batería frente a escalón de corriente 16

17 CAPÍTULO 3 Modelo completo e interfaz de usuario Índice 3.1 Sistema completo Interfaz de usuario 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 17

18 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 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 18

19 Figura 22. Interfaz con el usuario. Parámetros 19

20 CAPÍTULO 4 Análisis de las simulaciones y conclusiones Índice 4.1. Análisis de las simulaciones Conclusiones y trabajo futuro En este capítulo vamos a comprobar el funcionamiento del controlador. Para ello, someteremos al sistema a varios tipos de simulación Análisis de las simulaciones Célula fotovoltaica, batería, electrolizador, e hidruro metálico. Figure 23. Primera simulación 20

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 21

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. 22

23 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. 23

24 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. 24

25 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. 25