Diseño y control de un convertidor de
energÃa eléctrica a térmica, usando como fuente un sistema hÃbrido eól=
ico-solar
Design and control of an electric to thermal energy converter, using=
a
wind-solar hybrid system as source
Carlos Mauricio Carrillo Rosero., =
Alexis Abraham Aldaz Toa=
za.
Recibido: 11-02-2021 / Revisado: 20-02-2021 /Acept=
ado:
12-03-2021/ Publicado: 05-04-2021
Introduction: This research is focused on satisfying the basic energy needs of a sma=
ll house that did not have electricity, located in the RÃo Blanco communit=
y of Yatzaputzán, Tungurahua province. Initially, and due=
to economic, geographical and environmental conditions, as a cold moor-typ=
e climate prevails, a hybrid wind-photovoltaic system was designed and inst=
alled for battery charging, which made it possible to provide lighting and =
use of electrical appliances; as well as providing hot water through a preh=
eating system consisting of vacuum tubes and flat plate thermal panels. =
Objective: To generate electrical energy that allows adequate battery c=
harging by applying a control system, in order to optimize operating period=
s of a converter that uses electrical resistors and converts them into ther=
mal energy. Methodology: The tests were carried out by taking data i=
n situ, considering the parameters of solar radiation, wind speed and avera=
ge ambient temperature. Results: From the analysis carried out, it w=
as obtained that the monthly average of the wind speed is
to 2 m/s
 with a reference height of
 and the average monthly radiation takes valu=
es ​​between
 to
. To guarant=
ee the correct operation of the converter, projections were made to determi=
ne the increase in water temperature, showing that the project has a high e=
fficiency. Conclusions: It was established that by carrying out a pr=
eheating process and a constant supply of electrical energy from the batter=
ies and generated by unconventional means with ambient temperature and init=
ial voltage conditions in the RÃo Blanco community, they produce an averag=
e increase in temperature in the operation of the converter in the range of=
 to
.=
Keywords:
En=
ergy
converter, hybrid system, photovoltaic energy, wind energy.
Resumen.
Introducción:
La presente investigación está enfocada en satisfacer necesidades energé=
ticas
básicas de una pequeña vivienda que no disponÃa de energÃa eléctrica u=
bicada en el sector de RÃo Blanco comunidad de Yatzaputzán
provincia de Tungurahua. Inicialmente y debido a condiciones económicas,
geográficas y ambientales al prevalecer un clima frÃo de tipo páramo se =
diseñó
e instaló un sistema hÃbrido eólico-fotovoltaico para la carga de baterÃ=
as que
permitió dotar de iluminación y utilización de electrodomésticos; asÃ
como también el otorgar agua caliente mediante un sistema de precalentamie=
nto
que consiste de tubos al vacÃo y paneles térmicos de placa plana Objet=
ivo:
Generar energÃa eléctrica que permita la carga adecuada de baterÃas apli=
cando
un sistema de control, con la finalidad de optimizar periodos de funcionami=
ento
de un convertidor que utiliza resistencias eléctricas y las convierte en
energÃa térmica. MetodologÃa: Las pru=
ebas se
realizaron mediante la toma de dato=
s in
situ, considerando los parámetros de radiación solar, velocidad del v=
iento
y temperatura ambiente promedio. Resultados: Del análisis realizado=
se
obtuvo que el promedio mensual de la velocidad del viento es de 1.5 a
 con una altura de referencia de 2.50 m =
y la
radiación mensual promedio toma valores comprendidos entre 140 a 150
. Para garantizar el
correcto funcionamiento del convertidor se realizaron proyecciones que perm=
iten
determinar el incremento de temperatura del agua demostrando que la realiza=
ción
del proyecto tiene una eficiencia alta. Conclusiones: Se estableció=
que
al realizar un proceso de precalentamiento y un suministro constante de ene=
rgÃa
eléctrica provenientes de las baterÃas y generados por medios no convenci=
onales
con condiciones de temperatura ambiente y voltaje inicial en la comunidad de
RÃo Blanco producen en promedio un incremento de temperatura en el
funcionamiento del convertidor en el rango de
 a 4 0C=
Palabras claves:
Convertidor de energÃa, sistemas hÃbridos, energÃa fotovoltaica, energÃa
eólica.
Introducción.
Se conoce a un sistema hÃbrido como un sistema de
energÃa renovable que tiene dos fuentes de generación, este tipo de siste=
mas de
generación tiene una mayor eficacia y eficiencia, ya que disminuye la cant=
idad
de baterÃas que se deben emplear para un sistema aislado. La radiación so=
lar y
la velocidad del viento se pueden ver complementadas debido a que durante el
dÃa sin considerar las horas solares pico y la variación del viento, en t=
odo
momento uno de estos recursos se encuentra presente y permite continuar con=
la
generación de energÃa eléctrica de manera ininterrumpida, variando únic=
amente
su intensidad. (Colmenar, Borge, Collado,=
&
Castro, 2015)Â (Prats, GarcÃa, & Alonso, 2011).
Se requiere de un potencial eléctrico de <=
!--[if gte msEquation 12]>522 Wh/dÃa
 (Guananga, 2017)=
, para satisfac=
er las
exigencias a las que estará expuesto el sistema hÃbrido de generación. E=
n la Figura
1, se esquematiza los componentes de todo el sistema
hÃbrido, las conexiones son un punto de partida fundamental en la etapa de
diseño del convertidor debido a que se puede emplear el circuito para
determinar la mejor posibilidad de conexiones del sistema.
La función principal del convertidor de voltaje e=
s la
de receptar y convertir toda la energÃa eléctrica que ha sido captada por=
el
sistema hÃbrido de generación instalado en la comunidad de Rio Blanco, los
valores nominales de tensión alcanzan valores de <=
![if !msEquation]>
 voltios y 4,15 amperios en condiciones
climáticas favorables.
Figura 1. Circuito de conexiones del sistema hÃbrido<=
/span>
Fuente:Â (Guananga, 2017)
Tal como menciona (Ogata, 2010) un sistema de
control de lazo cerrado es aquel que posee retroalimentación relacionando =
entre
sà su señal de entrada con su señal de salida. En el proyecto planteado =
la
señal de entrada queda determinada por el nivel de carga en las baterÃas.=
El
sistema provisto de un controlador Arduino UNO basada en un microcontrolado=
r Atmega 328 CITATION GEE16 \l 3082 Â (Geek Factory, s.f.) al poseer entr=
adas
analógicas de 0 a 5 voltios no necesita que se acople al mismo un sensor
especÃfico para la lectura de carga ya que se la puede realizar directamen=
te
por estas entradas utilizando para ello un divisor de voltaje. Este control=
ador
es el encargado de mantener el nivel de carga y reaccionar ante la descarga
cortando la salida de energÃa hasta que se encuentre en el nivel programado
aceptado. Y para la adquisición de datos un módulo Ethernet Shield con capacidad de soportar TCP y UDP provis=
ta de
una pila de red IP y cuatro sockets de conexión. (Ethernet librar=
y, s.f.)Â
Metodologia.
Se empieza por
describir el sistema eólico-solar encargado de suministrar energÃa eléct=
rica y
a continuación el sistema de precalentamiento de agua. El sistema hÃbrido
cuenta con un pequeño aerogenerador de imanes permanentes y de flujo axial=
que
está diseñado para bajas velocidades de viento colocado a 11 metros de al=
tura,
con un rotor de tres álabes de 2,6 metros de diámetro. Con base a la curv=
a de
potencia obtenidas por (EspÃn, 2019)Â (Nara=
njo,
2017)
indican que el generador eólico de baja potencia se encuentra en su óptimo
funcionamiento alcanzando una potencia de diseño de 178 W.
De acuerdo a <=
w:Sdt
Citation=3D"t" ID=3D"-2107102849">(Carrillo, Romero, & Mayorga, 2020)<=
!--[if supportFields]> se determinó =
que la
velocidad de viento a la altura del buje entregada por el generador eólico
durante un tiempo de muestreo en la zona está comprendida en un rango de <=
/span>
 a
con una velocidad de giro del rot=
or
de 2 a 120 rpm, generando un voltaje de 0.5 a 16 V y desde 0.5 a 13 A El sistema hÃbrido cuenta también co=
n dos
paneles fotovoltaicos de 100 W marca SUNLINK SL080-12M100 de alta eficienci=
a y
durabilidad de 10 años  los cuale=
s son de
fácil instalación y se pueden adaptar a diversas aplicaciones como soport=
ar
cargas producidas por viento, nieve o neblina. (EspÃn, 2019)
En un proceso de calentamiento de agua cuando se utiliza
fuentes de 12 voltios se pueden obtener potencias de 600
que están muy por debajo de potencias de
 que se pueden alcanzar con
tensiones de 110 y 220 voltios, por esta razón en el proyecto se optó por
adecuar dos sistemas independientes de paneles térmicos en cuyo interior se
encuentra un mecanismo de termosifón que permite que en el precalentamient=
o se
eleve la temperatura a los grados centÃgrados requeridos y se mantenga den=
tro
de un rango adecuado de temperatura de confort. Un mecanismo de termosifón tiene como principio el cambio de densid=
ad
del fluido (agua); si se eleva su temperatura, este se dilata provocando qu=
e el
fluido a menor temperatura converja hacia el captador tal como se muestra e=
n la
figura 2 generalmente se realiza por convección y para que se produzca la
recirculación se acopla una bomba eléctrica con la finalidad de que se dÃ=
© un
equilibrio térmico dentro del convertidor.
=
Figura
2. Esquema de termosifón=
Fuen=
te: (Méndez & GarcÃa, 2007)
Las
especificaciones de cada uno de los dos sistemas independientes son:
· =
El panel térmico Figura =
3, es un colector sola=
r plano
con un área efectiva de
, si se considera al tiempo de exposición a la radiación solar como=
su
caracterÃstica principal, de las pruebas de funcionamiento con un tiempo de
exposición de dos horas considerando condiciones geográficas y de irradia=
ncia
en dÃas soleados, parcialmente nublados y completamente nublados de la ciu=
dad
de Ambato se puede obtener temperaturas de calentamiento de agua de =
,
 y
 respectivamente y en térmi=
nos de
eficiencia en el rango del 30 al
 . (Toalombo
& Cabrera, 2011)
Figura 3. Colector solar
Fuente: Elaboración propia.<=
/span><=
/p>
· =
Un calentador de tubos sellados al=
vacÃo figura 3, medi=
ante el
cual según (Salcedo & Cabrera, 2011) se puede captar
energÃa de hasta
,  una temperatura máxima d=
e
 con valores de radiación p=
romedio en
un periodo de exposición de seis horas en la ciudad de Ambato.<=
/span>
=
Figura
4. Calentador solar de tubos al vacÃo
Fuente: Elaboración propia.<=
/span><=
/p>
<=
/o:p>
El diseño d=
el
convertidor se basa en el alcance de lo establecido en la norma NTE INEN 1
912:1992 Calentadores eléctricos de agua para uso doméstico (INEN, 1992). Tomando en cu=
enta que
cuando se tenga condiciones ambientales adversas (temperaturas bajas), o se
encuentre trabajando en horas nocturnas o a la madrugada los paneles térmi=
cos
no tendrán la capacidad de mantener y/o calentar el agua; por esta razón =
se
opta por añadir al sistema resistencias térmicas tipo sumergidas de Const=
atan figura
5, su función principal es elevar la temperatura cuando se le suministra
corriente eléctrica, para precautelar la seguridad de los usuarios se real=
iza
la conexión debida a tierra mediante una varilla de cobre.
=
Figura
5. Esquema de resistencias eléctricas=
Fuente:Â (En One, 2019)
En la tabla =
1 se
muestran alternativas de selección de resistencias que se obtuvieron a tra=
vés
de cálculos. Â
Tabla 1. Alternativas de diseño de resistencia térmica eléctr=
ica
Fuente: El=
aboración
propia.
|
|
A1
|
A2
|
A3
|
A4
|
|
Diámetro (mm)
|
1
|
1
|
1
|
0,5
|
|
Número espiras (N)
|
40
|
20
|
10
|
20
|
|
Resistencia (𝛀)<=
o:p>
|
0,941
|
0,470
|
0,235
|
1,882
|
|
Intensidad (A)
|
12,75
|
25,53
|
51,06
|
6,59
|
|
Potencia (W)
|
152,97
|
306,36
|
612,76
|
79,08
|
|
Duración de las baterÃas
|
15 hrs. 40 min=
|
07 hrs. 49 min=
|
03 hrs. 55 min=
|
30 hrs. 21 min=
|
Se opta por la alternativa A3 ya que cada resistencia
proporciona una potencia superior a los 600 W y generan calor en el rango
comprendido entre 2 a 4
 para un total de tres resis=
tencias
pese a que se reduce la duración de la baterÃa a una hora, se estima sufi=
ciente
para el uso en las condiciones adversas. =
Â
En el controlador se programa para que active el
funcionamiento del convertidor figura 6, cuando las señales de entrada y s=
alida
de los sensores se encuentren en el rango de
 a
.
=
Figura
6. Convertidor
Fuente: Elaboración propia.
También se programa condiciones de carga de baterÃa a s=
aber:
1. Cuando el nivel de ca=
rga de
la baterÃa este en un rango de 95 a 100% el sistema de control desactiva l=
as
dos fuentes de energÃa (solar y eólico) y provoca el frenado en el genera=
dor
eólico o si la velocidad del viento supera los
.
2. Cuando el nivel de ca=
rga de
la baterÃa este en un rango de 80 a 94% el sistema de control activa una f=
uente
siempre y cuando se encuentren generando voltaje superior a los 10 V o ambas
fuentes de energÃa cuando se encuentren a la mitad de su capacidad hasta
alcanzar el rango superior.
3. Cuando el nivel de ca=
rga de
la baterÃa este en un rango de 71 a 79% el sistema de control activa las d=
os
fuentes de energÃa hasta alcanzar el rango superior.
4. Cuando el nivel de ca=
rga de
la baterÃa este en un rango inferior al 70% el sistema de control activa l=
a alarma
para que los usuarios procedan a desconectar los equipos y activa ambas fue=
ntes
hasta alcanzar el rango superior. Â Â Â Â Â Â =
Â
 Â
Resultados.
Para validar el funcionamiento del proyecto se ingresan datos al sist=
ema de
control provenientes de los paneles fotovoltaicos cada cinco minutos se
promedia por hora y por mes mostrados en la figura 7, en un periodo compren=
dido
desde las ocho AM hasta las dieciséis horas PM tiempo en el que la irradia=
ncia
supera los
 y en la cual es apreciable una variaciÃ=
³n
significativa de la temperatura.
Figura 7. Ten=
dencia
de irradiancia en la zona
|
Fuente: Elaboración propia.
Como se puede observar en la figura 7 dependiendo del mes se pueden
obtener valores de irradiancia en el rango comprendido de 300 a
 y en general se tiene un promedio de
 por tanto se puede aseverar que el lugar
cuenta con el suficiente potencial para que el proyecto funcione de manera
adecuada.
En cuanto a la temperatura, se parte de la que se encuentra al ambien=
te
en el sector 5 a
. Una v=
ez
instalados los paneles térmicos se toman datos cuyos resultados se muestra=
n en
la figura 8, se puede apreciar que con el precalentamiento se logra subir la
temperatura del agua a un rango de 21 a
. Para
determinar su autonomÃa se llena el tanque y se permite el consumo hasta q=
ue la
temperatura sea inferior a los
, con lo
que se estableció en 26 minutos. Posteriormente se permite el funcionamien=
to
del convertidor con lo cual se alcanza 8 minutos de autonomÃa para un tota=
l de
34 minutos y el incremento en
 provenientes de las resistencias selecc=
ionadas
suministrada por la baterÃa instalada y recirculación forzada, logrando d=
e esta
manera alcanzar la temperatura de confort establecida en el rango de=
25
a
. Â
=
Figura
8. Temperatura vs mes paneles térmicos solares=
Fuente: Elaboración propia.
Se determina la eficien=
cia
del convertidor dichos resultados se muestran en la figura 9, de ella se pu=
ede
concluir que en los meses en que se presente una mayor irradiancia será
suficiente la energÃa generada por los paneles térmicos mientras que en l=
os que
la eficiencia se encuentra por debajo del 70% requerirán de una mayor dema=
nda
tanto del convertidor como de las resistencias.Â
Â
=
Figura
9. Eficiencia del convertidor por mes=
Fuente: Elaboración propia.
Según la organización mundial de la salud (OMS,
s.f.)
se necesita un aproximado de 60 litros de agua caliente en promedio por per=
sona
para aseo e higiene personal, se pude incrementar a este un 20% en otros
servicios como limpieza, para determinar la autonomÃa del sistema de
calentamiento de agua previamente se determinó el caudal en el sector y con
este valor se determina el volumen de agua.
v =3D1,243 × <=
m:sSupPr><=
/m:ctrlPr>10-4<=
/m:ctrlPr>m=
3s<=
/m:e>*(2040 s)
v =3D 0,2536 m3=
v =3D 253, 6 l
Se puede concluir que el abastecimiento es suficiente para dotar de a=
gua
caliente a cuatro usuarios con un consumo medio bajo.
Para determinar el nivel de carga de las baterÃas y si el sistema
funciona de manera adecuada se provoca las condiciones descritas en el sist=
ema
mediante una carga de 200 amperios en un periodo de tiempo desde las ocho AM
hasta diecinueve horas PM, la baterÃa se encuentra a plena carga, los dato=
s se
muestran en la figura 10, como se puede apreciar la baterÃa comienza a
descargarse aproximadamente una hora el sistema detecta que se encuentra por
debajo del 70% y activa las fuentes de energÃa y la carga de la baterÃa a partir de las doce horas cuando la c=
arga se
encuentra al 80% el sistema activa los paneles solares, frena el generador
eólico y carga la baterÃa a partir de las dieciséis horas treinta minutos
enciende el generador eólico.  =
 Â
=
Figura
10. Variación de carga de baterÃa
Fuente:
Elaboración propia.
En la figura 11 se muestra como varia el nivel de carga de la baterÃa
comparada con el consumo diario durante un periodo de prueba de 80 dÃas.
=
Figura
11. Variación de carga de baterÃa
Fuente:
Elaboración propia.
En la figura 1=
2 se
muestra como el sistema en base al consumo incrementa de 1 a
 la
temperatura del agua a través del convertidor y las resistencias para
encontrase dentro de la temperatura de confort. Estos datos son toma=
dos
durante un periodo de tiempo de 80 dÃas.
=
Figura
12. Comportamiento de la temperatura del agua
Fuente:
Elaboración propia.
Conclusiones.
·
La temperatura que sumista el convertidor en el rango de =
2 a
 puede mantenerse hasta por =
un
tiempo de 8 minutos cuando el agua alcanza
 en las peores condiciones de
funcionamiento del sistema. Esto resulta adecuado si se considera que la
temperatura ambiente del lugar es de 5 a
Â
·
En el proyecto se parte de dos módulos solares de 100 W,=
un
aerogenerador de baja potencia de 174 W, dos paneles térmicos solares y dos
baterÃas para el almacenamiento de energÃa cada una de 6 voltios y 200 Ah=
, en
las condiciones actuales los usuarios consumen un total de 67 amperios (se
considera también el consumo de la resistencia eléctrica incorporadas al
convertidor) y una potencia de 64 W lo que representa una autonomÃa de
aproximadamente dos horas de suministro con consumo continuo. Si se increme=
nta
el número de baterÃas al sistema se podrá dotar de mayor capacidad al si=
stema y
mejorar el estilo de vida de los habitantes.Â
·
Para sectores en los cuales no existe suministro de energ=
Ãa
eléctrica convencional o de acceso limitado al sistema de interconexión
nacional proyectos como el descrito son una alternativa viable; en el secto=
r de
Yatzaputzán=
se ha logrado aprovechar recursos no convencionales =
como
el eólico y el solar que han dotado de energÃa para el uso de equipos bá=
sicos
que necesitan de ella, y en conjunción con el convertidor, los paneles té=
rmicos
solares y las resistencias eléctricas se ha dotado de agua caliente con co=
nsumo
medio bajo a una temperatura de confort.
Agradecimientos.
Este proyecto de investigación ha sido financiado por la Dirección=
de
Investigación y Desarrollo (DIDE), de la Universidad Técnica de Ambato en=
el
marco del proyecto: “Medios de conversión de energÃa eólica - solar a =
pequeña
escala para satisfacer necesidades energéticas básicas en comunidades rem=
otas
de la provincia de Tungurahuaâ€, aprobado con resolución 1525-CU-P-2018 (=
Código:
PFICM 16), lo cual se agradece.
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PARA CITAR EL ARTÃCULO INDEXADO.
Carrillo
Rosero, C. M., Aldaz Toaza, A. A., Moreta López, L. D., & Mayorga Pard=
o, A.
S. (2021). Diseño y control de un convertidor de energÃa eléctrica a té=
rmica,
usando como fuente un sistema hÃbrido eólico-solar. =
ConcienciaDigital,
4(2), 185-197. https://doi.org/10.33262/concienciadigital.v4i2.1657
El artÃculo que se
publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente
reflejan el pensamiento de la Revi=
sta Conciencia
Digital.
El
artÃculo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación pa=
rcial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Conciencia Digital.<=
/o:p>
         =
                                     Â=
                                     =
                                     Â=
                        =