Ciencias Tcnicas y Aplicadas

Artculo de Investigacin

 

Configuracin del diseo ptimo de un sistema de energa hbrido solar-elica conectado a la red utilizando el software HOMER

 

Configuring the optimal design of a grid-connected wind-solar hybrid power system using HOMER software

 

Configurando o projeto ideal de um sistema de energia elica-solar conectado rede usando o software HOMER

Alejandro Javier Martnez-Peralta I
amartinez8875@utm.edu.ec  
https://orcid.org/0000-0003-1176-5001 
Byron Fernando Chere-Quinez II
bchere8077@utm.edu.ec   
https://orcid.org/0000-0003-1886-6147
 


 

 

Luis Ernesto Charcopa-Paz III
luis.charcopa@utelvt.edu.ec  
https://orcid.org/0000-0001-6186-9074 
,Tyron Joel Orobio-Arboleda IV
tyron.orobio@utelvt.edu.ec   
https://orcid.org/0000-0001-5460-7180
Carlos Alfredo Alcvar-Vallejo V
carlos.alcivar@utelvt.edu.ec 
https://orcid.org/0000-0002-0881-1604
 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: [email protected]

 

 

*Recibido: 29 de marzo del 2022 *Aceptado: 14 de abril de 2022 * Publicado: 23 de mayo de 2022

 

        I.            Universidad Tcnica de Manab, Portoviejo, Ecuador

     II.            Universidad Tcnica de Manab, Portoviejo, Ecuador

   III.            Universidad Tcnica Luis Vargas Torres de Esmeraldas, Ecuador

  IV.            Universidad Tcnica Luis Vargas Torres de Esmeraldas, Ecuador

     V.            Universidad Tcnica Luis Vargas Torres de Esmeraldas, Ecuador

 

 

 

Resumen

El objetivo del documento es presentar una idea sobre el diseo, la simulacin y el anlisis de recursos de energa renovable hbridos conectados a la red para alimentar la vivienda residencial ubicada en el cantn de San Francisco de Onzole en la parroquia Eloy Alfaro Provincia de Esmeraldas. La tarea principal de este trabajo es dar una solucin ptima para resolver los problemas de crisis energtica en el mundo. En el escenario actual, las fuentes no renovables estn disponibles en gran cantidad para satisfacer plenamente nuestra creciente demanda. Teniendo en cuenta la informacin anterior hemos hecho un esfuerzo por analizar la ventaja de la Generacin Distribuida considerando la energa solar o elica, por s solas pueden fluctuar, cuando se conectan entre s proporcionan una fuente confiable de energa. Por lo tanto, la combinacin de estas dos formas de fuente de energa conectadas a la red proporciona una generacin confiable para proporcionar una fuente constante de flujo de energa para el sistema diseado. El motivo principal de este trabajo es estudiar la viabilidad del sistema de energa hbrida solar-elica con maximizar el uso del sistema de generacin no convencional al tiempo que se minimiza el costo total del sistema.

Palabras clave: Costo Presente Neto (NPC); Costo Nivelado de energa (LCOE); Factor de Emisin; Sistema Hbrido; Carga Residencial; HOMER Pro.

 

Abstract

The objective of the document is to present an idea on the design, simulation and analysis of independent hybrid renewable energy resources for a residential home located in the canton of San Francisco de Onzole in the parish Eloy Alfaro Province of Esmeraldas. The main task of this work is to provide an optimal solution to solve the problems of energy crisis in the world. In the current scenario, non-renewable sources are available in large quantities to fully meet our growing demand. Taking into account the above information we have made an effort to analyze the advantage of Distributed Generation considering solar or wind energy, by themselves they can fluctuate, when connected to each other they provide a reliable source of energy. Therefore, the combination of these two forms of grid-connected power source provides reliable generation to provide a constant source of energy flow for the designed system. The main reason for this work is to study the feasibility of the hybrid solar-wind energy system with maximizing the use of the unconventional generation system while minimizing the total cost of the system.

Keywords: Net Present Cost (NPC); Levelized Cost of Energy (LCOE); Emission Factor; Hybrid System; Residential Load; HOMER Pro.

 

Resumo

O objetivo do documento apresentar uma ideia sobre o projeto, simulao e anlise de recursos de energia renovvel hbrida conectados rede para alimentar habitaes residenciais localizadas no canto de So Francisco de Onzole na freguesia de Eloy Alfaro, provncia de Esmeraldas. A principal tarefa deste trabalho dar uma soluo tima para resolver os problemas de crise energtica no mundo. No cenrio atual, fontes no renovveis ​​esto disponveis em grande quantidade para atender plenamente a nossa crescente demanda. Levando em conta as informaes anteriores fizemos um esforo para analisar a vantagem da Gerao Distribuda considerando a energia solar ou elica, por si s podem flutuar, quando conectadas entre si fornecem uma fonte confivel de energia. Portanto, a combinao dessas duas formas de fonte de energia conectada rede fornece gerao confivel para fornecer uma fonte constante de fluxo de energia para o sistema projetado. A principal razo para este trabalho estudar a viabilidade do sistema hbrido de energia solar-elica com maximizao do uso do sistema de gerao no convencional, minimizando o custo total do sistema.

Palavras-chave: Custo Presente Lquido (NPC); Custo Nivelado de Energia (LCOE); Fator de Emisso; Sistema Hbrido; Carga Residencial; HOMER Pro.

 

Introduccin

En la era reciente hay un gran margen para el avance en la generacin de energa teniendo en cuenta la tecnologa respetuosa con el medio ambiente, como la tecnologa de energa renovable, se est convirtiendo en tcnicamente viable y respetuosa con el medio ambiente. En todo el mundo, se est haciendo un esfuerzo para estudiar la viabilidad del sistema hbrido incorporado de energa renovable como alternativa al generador diesel. El sistema de energa hbrida generalmente funciona con una fuente renovable primaria en combinacin paralela de un mdulo secundario no renovable de reserva y una unidad de almacenamiento. En el sistema de energa hbrido de la aldea ofrecen una solucin atractiva y prctica para satisfacer la demanda de energa elctrica en las comunidades rurales alrededor del mundo. (Kaabeche, Belhamel, y Ibtiouen, 2011), (Bukit, Frida, y Harahap, 2013).

Los principales inconvenientes del sistema independiente teniendo en cuenta la energa solar y elica es la fluctuacin de la energa, lo que resulta en la entrega intermitente de energa y causa problemas si se requiere un suministro confiable y continuo. Por lo tanto, este tipo de problemas se pueden superar mediante el uso de sistemas hbridos independientes. Un sistema de energa hbrido se puede definir como una combinacin de diferentes fuentes de energa, pero el sistema de generacin de energa complementaria puede ser proporcionado por energa renovable o mixta. Los sistemas hbridos proporcionan las mejores caractersticas de cada recurso energtico en comparacin con las fuentes convencionales y tambin proporcionan electricidad de "calidad de red", con un rango de potencia de kilovatios a varios cientos de kilovatios (Alejandro Martnez, Byron Chere, Jos Guzmn, Tyron Orobio, 2022).

Las principales ventajas de un sistema hbrido son que, cuando una fuente de energa est en niveles bajos, la otra fuente generalmente est en niveles ms altos. El panel solar es menos efectivo en das nublados y ventosos, por lo que producir niveles de energa ms bajos, mientras que el generador elico puede estar produciendo mucha energa. Del mismo modo, para la generacin elica, el problema principal es la ubicacin del sitio, que tiene una cierta cantidad de viento de forma regular. El uso principal de energa no convencional hace que este sistema sea casi independiente y reduce los precios de la energa a largo plazo. (Bhandari, Lee, Lee, Cho, y Ahn, 2015).

 

Desarrollo

Este estudio de caso se realiza en el cantn de San Francisco de Onzole en la parroquia Eloy Alfaro, cuya latitud es 17o 53' 0" Norte y longitud es 74o 9' 0"

 

Figura 1. Vista geogrfica de San Francisco de Onzole.

Ventajas de la generacin distribuida

Los beneficios tangibles bsicos de la generacin distribuida son los siguientes:

         Con componentes estandarizados prefabricados ayuda en una instalacin fcil y rpida

         Transmisin de alto voltaje a larga distancia son econmicos

         Respetuoso con el medio ambiente significa reduccin de las emisiones mediante el uso de fuentes de energa renovables

         Coste de funcionamiento ms o menos constante durante el perodo de tiempo con el uso de fuentes renovables

         Menos complejidad fomenta la posibilidad de usuario-operador

Software HOMER

HOMER significa Modelo de Optimizacin Hbrida para Renovables Elctricas. Es el software ms utilizado. HOMER es desarrollado por Mistaya Engineering, Canad para el National Renewable

Laboratorio de Energa (NREL) USA en 1993. Es un modelo de optimizacin de micro energa que facilita la tarea de evaluar diseos de sistemas de energa tanto fuera de la red como conectados a la red para diversas aplicaciones (Khalil et al., 2020). HOMER realiza anlisis de optimizacin y sensibilidad. Con la ayuda de HOMER, el sistema realiza el clculo del balance de energa considerando varios nmeros y tamaos de componente. Se ha mostrado en el software una lista ordenada de resultados de configuracin basada en el costo actual neto total (TNPC). El sistema tiene en cuenta los clculos de costos tales como capital, reemplazo, operacin y mantenimiento, combustible e intereses. El anlisis de sensibilidad determina factores variables como la velocidad del viento, el costo del combustible. HOMER muestra los resultados de la simulacin en una variedad de tablas y grficos que ayudan a comparar configuraciones y evaluarlas en funcin de sus mritos econmicos(Mestre et al., 2013).

 

Metodologa

El sistema de energa renovable hbrido simulado considerado consiste en turbina elica, matriz fotovoltaica (PV) con convertidor de potencia y batera. En caso de una batera de emergencia se utiliza como unidad de respaldo para el sistema considerado que acta como medio de almacenamiento. El sistema considerado est diseado especficamente para un caso conectado a la red para que se suministre las 24 horas del da, los 7 das de la semana. Especialmente este sistema est diseado para alimentar la vivienda residencial del cantn de San Francisco de Onzole en la parroquia Eloy Alfaro. Los datos requeridos para los recursos solares y elicos para el sitio de Automatic Taller Machine se tomaron de datos en lnea del departamento metodolgico de la NASA. La encuesta se ha realizado para trazar un grfico entre el perfil de carga diaria y el consumo de energa de ATM. El software HOMER se utiliza para realizar la determinacin del dimensionamiento ptimo y la estrategia operativa para un sistema hbrido de energa renovable que se basa en tres tareas principales que son simulaciones, optimizacin y anlisis de sensibilidad. A continuacin, se analizan tres tareas principales del software HOMER.

HOMER: Simulacin

Diseo del sistema considerado basado en la seleccin de componentes por parte del ingeniero de diseo. En este proceso, el clculo del balance de energa ser realizado por HOMER en funcin de la configuracin del sistema que comprende varios nmeros de tamaos de componente. Aqu los componentes considerados son la matriz fotovoltaica, la turbina elica, la batera y el convertidor para fines de anlisis (Engineering, 2016). Despus de la simulacin, determina la mejor configuracin ptima del sistema que es adecuada para satisfacer la demanda de energa. HOMER simular el sistema diseado basado en la estimacin del costo de instalacin, el costo de reemplazo, el costo de operacin y mantenimiento y la tasa de inters (Engineering, 2016).

HOMER: Optimizacin

La solucin ptima se obtiene despus de simular todo el nmero posible de selecciones de configuracin de sistemas hbridos de energa renovable. Una lista de resultados de configuracin que se muestra en forma ordenada teniendo en cuenta el costo neto actual total (TNPC). HOMER analiza los diferentes tipos de configuracin del sistema desde el TNPC ms bajo hasta el ms alto. Sin embargo, la configuracin del sistema basada en TNPC vara en funcin de la variable de sensibilidad seleccionada por el diseador.

HOMER: Anlisis de sensibilidad

El software HOMER realizar las iteraciones para obtener un resultado ptimo para cada seleccin, incluida la variable de sensibilidad para el sistema hbrido de energa renovable. Las variables de sensibilidad son tales como la energa solar global, la elica. Se presentar una lista de varias configuraciones de sistemas de energa renovable hbrida diseada en forma de tabulacin considerando el anlisis de costos, es decir, el TNPC ms bajo al ms alto. La solucin ptima significa un sistema hbrido de energa renovable con el TNPC ms bajo.

Modelo de sistema diseado

 

Figura 2. Diagrama esquemtico del sistema hbrido

 

Matriz solar fotovoltaica

En un PV array, el material semiconductor absorbe fotones de la radiacin solar, que se convierten en un voltaje a travs del movimiento de los electrones. El mdulo se produce combinando clulas fotovoltaicas. Mdulos ensamblados para formar matriz. Recurso solar significa la cantidad de radiacin solar global que golpea la superficie de la tierra. La radiacin solar para esta rea de estudio se obtuvo de la Metodologa de Superficie de la NASA. Se obtiene una irradiacin solar media de 5.000 kWh//da y un ndice de claridad de 0.476 para el rea de estudio. En este caso se utiliza la matriz fotovoltaica se utiliza el modelo ENN Solar Energy458EST-460A, 7 unidades de 0.458kW.

Recursos elicos

La utilizacin de molinos de viento por diversas razones es una prctica desde hace varios aos. Ahora muchas naciones reconocen la importancia de la energa elica. La energa elica ha resurgido como una fuente importante de recursos energticos sostenidos en todo el mundo. La velocidad media del viento es de 3 m/s para el rea de estudio. En este caso se utiliza el aerogenerador de 3kW.

Convertidor

Aqu el convertidor se utiliza tanto en el rectificador de modo como en el inversor. Se supone que el convertidor bidireccional tanto el costo de capital como el costo de reemplazo son de $ 300 durante una vida til de 30 aos. El tamao del convertidor es de 3kW.

Batera

La batera Generic 1kWh Li-Ion Facilidad para saber la carga que almacenan. Basta con medir, en reposo, la tensin de la batera. La energa almacenada es una funcin de la tensin medida. Los costos de capital y el costo de reemplazo se asumieron como 550.00 $.

Descripciones de carga

Se toma un cajero automtico tpico para el estudio de caso.

Carga media = 32,86kW

Carga mxima = 1770kW y el factor de carga es 1,231.

 

Figura 3. Curva de perfil de carga diaria de ATM.

 

Resultado y discusin

Resultado de la optimizacin

El software HOMER repetir iteraciones para obtener el resultado ptimo para cada variable de sensibilidad de seleccin para el sistema hbrido de energa renovable.

Figura 4. Resultado de optimizacin.

Figura 5. Produccin elctrica mensual

 

 

A partir de la optimizacin resulta la mejor solucin ptima diseada por el sistema en el que los componentes de la fuente de energa son solares, elica y batera.

 

Anlisis de sensibilidad

 

Figura 6. Resultado del anlisis de sensibilidad.

 

Tabla 1. Tabla de resultado econmico

Mtrico

Valor

Valor presente (US$)

US$ 169,194

Valor anual (US$ / ao)

US$ 13,235

Retorno de la inversin (%)

15.3

Tasa interna de retorno (%)

19.1

Reembolso simple (ao)

5.4

Recuperacin descontada (ao)

6.34

 

Conclusin

En este trabajo propusimos un sistema hbrido de generacin de energa para una comunidad ubicada en el cantn de San Francisco de Onzole en la parroquia Eloy Alfaro Provincia de Esmeraldas. Todos los sistemas de optimizacin se enumeran segn el NPC y los valores econmicos se calculan con el fin de alimentar las viviendas residenciales y encontrar el costo presente neto (NPC) ptimo. Los resultados obtenidos del HOMER en nuestro estudio de caso dan que el Costo de Capital Inicial optimizado es de 115,284 $, el Costo Presente Neto es de 86,606.95 $, el Costo de Energa es de 0.01523 $.

El precio de la energa del sistema ptimo es menor que el del coste de la energa proporcionada por la red. Aunque el costo inicial de la energa solar-elica es alto, pero la electricidad a un costo menor.

 

Referencias

             1.     Alejandro Martnez, J. P., Byron Chere, F.-Q., Jos Guzmn, L. L., & Tyron Orobio, J. A. (2022). Diseo de una instalacin solar fotovoltaica para el suministro de energa elctrica de una vivienda unifamiliar en la parroquia rural Vuelta Larga del cantn Esmeralda (Vol. 8, pp. 887908). Vol. 8, pp. 887908. https://dominiodelasciencias.com/ojs/index.php/es/article/download/2611/5895

             2.     Bhandari, B., Lee, K. T., Lee, G. Y., Cho, Y. M., & Ahn, S. H. (2015). Optimization of hybrid renewable energy power systems: A review. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing - Green Technology, Vol. 2, pp. 99112. https://doi.org/10.1007/s40684-015-0013-z

             3.     Bukit, N., Frida, E., & Harahap, M. H. (2013). Preparation Natural Bentonite in Nano Particle Material as Filler Nanocomposite High Density Poliethylene (Hdpe). https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/32788928/Preparation_Natural_Bentonite_in_Nano_Particle_Material_as_Filler_Nanocomposite_High_Density_Poliethylene-with-cover-page-v2.pdf?Expires=1653856548&Signature=WpU57TAIXvTVe3vUE7W2nSGooKgGL0ck20dKtKW7Tem5O7SmvrLOrOPfDJWpHvZ3CBsf81VmGDW2tmKm~DmX9UC5YAW0HXmoZtfVYVG09fo~n9paMgrxUpwQ6sDEz6OhO8mo8OVxBm~AAy5g2n2TLd2hPs9fSJW35SDrlaMU0Fx2bNIVnFQYlLYRXToql-uCd6R8icx3rLqZYMClTASwKNYFoeo1gewI2RJu3H0qi6JoDCGSIKcYGZ15fjZX2N1Ql2E0t3IVsZS6vTvn0dntyVGgzvp6nv69DDuhGAx27HHEMvXVyBDI6ilDcaZUU2EmadnYUTFA~0pCVM6lVWV6kg__&Key-Pair-Id=APKAJLOHF5GGSLRBV4ZA

             4.     Engineering, E. (2016). A Review of Energy Efficiency in Data Processing Centers. https://www.researchgate.net/profile/Alvaro-Fernandez-Gonzalez/publication/297737781_A_Review_of_Energy_Efficiency_in_Data_Processing_Centers/links/56e2823008ae4e3e9429243b/A-Review-of-Energy-Efficiency-in-Data-Processing-Centers.pdf#page=23

             5.     Kaabeche, A., Belhamel, M., & Ibtiouen, R. (2011). Sizing optimization of grid-independent hybrid photovoltaic/wind power generation system. Energy, Vol. 36, pp. 12141222. Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.11.024

             6.     Khalil, L., Liaquat Bhatti, K., Arslan Iqbal Awan, M., Riaz, M., Khalil, K., & Alwaz, N. (2020). Optimization and designing of hybrid power system using HOMER pro. Materials Today: Proceedings, Vol. 47, pp. S110S115. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.06.054

             7.     Mestre, O., Domonkos, P., Picard, F., Auer, I., Robin, S., Lebarbier, E., Stepanek, P. (2013). HOMER: A homogenization software - methods and applications. Idojaras, Vol. 117, pp. 4767. https://repositorio.aemet.es/bitstream/20.500.11765/1494/1/2013 guijarroJA Olivier 13.pdf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2022 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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