Estudio Sobre El Uso de Convertidores DC-DC en Instalaciones de Almacenamiento de Energía...

Mster en Sistemas de Energa Trmica

Trabajo fin de Mster

ESTUDIO SOBRE EL USO DE

CONVERTIDORES DC/DC EN

INSTALACIONES DE

ALMACENAMIENTO DE ENERGA

ELCTRICA DE ORIGEN RENOVABLE

Autor: Luis Valverde Isorna.

Tutor: Dr. Manuel Felipe Rosa Iglesias.

MSTER EN SISTEMAS DE ENERGA TRMICA

Autor: Luis Valverde Isorna. 2

Contenido 0. NOMENCLATURA .................................................................................................................. 4

1. INTRODUCCIN .................................................................................................................... 6

2. TOPOLOGAS EXISTENTES EN EL ESTADO DEL ARTE, CONVERTIDORES DC-DC Y

PROBLEMTICA ASOCIADA. ....................................................................................................... 13

1. Configuraciones existentes en el estado del arte .......................................................... 13

2. Optimizacin del acoplamiento directo......................................................................... 15

3. Mejoras en el diseo y acoplamiento cuando se emplean convertidores. .................. 17

4. Otras consideraciones sobre el uso o no uso de convertidores................................... 20

3. OBJETIVO DEL TRABAJO ..................................................................................................... 24

4. MODELO EN MATLAB DESARROLLADO ............................................................................. 26

5. DEFINICIONES DE RENDIMIENTOS Y PARMETROS DE EVALUACIN DE EFICIENCIA DE LA

PLANTA ....................................................................................................................................... 36

6. EFICIENCIA DE LOS CONVERTIDORES. ................................................................................ 38

7. MODOS DE FUNCIONAMIENTO ......................................................................................... 40

5.1 MODO 1. ......................................................................................................................... 40

5.2 MODO 2. ......................................................................................................................... 41

5.3 MODO 3. ......................................................................................................................... 41

8. ESTRATEGIA DE CONTROL .................................................................................................. 42

8.1. JUSTIFICACIN DE LOS NIVELES DE S.O.C. FCUP, FCLOW; EZUP, EZLOW ................................. 43

9. CONFIGURACIONES DEL SISTEMA ...................................................................................... 47

9.1. CONFIGURACIN ESTANDAR .......................................................................................... 47

9.1.1. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 1. S.O.C. (40%) ..................................... 55

9.1.2. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 2 SOC (80%) ......................................... 57

9.1.3. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 3 SOC (10 %) ........................................ 60

9.2. CONFIGURACIN DE ACOPLAMIENTO DIRECTO AL ELECTROLIZADOR .......................... 63

9.2.1. RESULTADOS SIMULACIN MODO 1. SOC (40%) .............................................. 71

9.2.2. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 2. SOC (80%) ........................................ 72

9.2.3. RESULTADOS SIMULACIN MODO 3.- SOC (10%) ............................................... 74

9.3. CONFIGURACIN DE CONVERTIDOR EN BATERA .......................................................... 76


9.3.2. RESULTADOS DE SIMULACIN MODO 2.- SOC (80%) .......................................... 83




10. COMPARATIVA DE RESULTADO ......................................................................................... 87

11. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 94



0. NOMENCLATURA

Eemax Promedio de energa elctrica diaria solicitada por la instalacin receptora (En el mes

de mximo consumo.

Eez Energa consumida por el electrolizador.

Epila Energa cedida por la pila.

Ersav Energa real salvada.

Esav Energa salvada.

EZlow Estado de carga de las bateras para el cual se apaga el electrolizador.

EZup Estado de carga de las bateras para el cual se enciende el electrolizador.

FClow Estado de carga de las bateras para el cual se enciende la pila de combustible.

FCup Estado de carga de las bateras para el cual se apaga la pila de combustible.

G Irradiancia en W/m2

Ipila Intensidad cedida por la pila de combustible

Isc Intensidad de corto circuito del mdulo fotovoltaico.

Isc_sf Intensidad de corto circuito del generador fotovoltaico.

Isf Intensidad del generador fotovoltaico.

MPPT Maximum power point tracking.

ND Das de autonoma especificados para el banco de bateras.

PDmax Profundidad de descarga.

PMP Punto de mxima potencia.

Req Resistencia equivalente.

Rp Resistencia paralelo del generador fotovoltaico.

Rs Resistencia serie del generador fotovoltaico.

SOC State of Charge (Estado de carga de las bateras).

Vbus Tensin del bus de corriente continua.

Vn Tensin nominal del campo fotovoltaico.

Vocsf Tensin a circuito abierto del campo fotovoltaico.



VT Tensin dependiente de la temperatura.

VTacu Tensin bateras.



1. INTRODUCCIN

COYUNTURA MEDIOAMBIENTAL

En el mundo actual, existe una demanda continua de energa de crecimiento

exponencial, al mismo tiempo, esta energa tiene que ser ms limpia que la energa producida

a partir de la generacin de tecnologas tradicionales. Esta necesidad ha facilitado la creciente

penetracin de lo que se denomina generacin distribuida y principalmente de las tecnologas

renovables. El amplio uso de fuentes de energa renovables puede indiscutiblemente

minimizar la amenaza del calentamiento global y el cambio climtico. Sin embargo, la potencia

de salida de estas fuentes de energa no es tan fiable ni tan fcil de ajustar a los ciclos de

evolucin de la demanda como la produccin de la de las fuentes de energa tradicionales. Este

inconveniente slo se puede superar de forma efectiva mediante el almacenamiento del

exceso de energa producida por las fuentes de energa renovables. Por lo tanto, para que

estas nuevas fuentes puedan ser completamente fiables como fuentes primarias de energa, el

almacenamiento de energa es un punto crucial a resolver.

El almacenamiento de energa es un mundo completamente nuevo por descubrir y de

gran atractivo comercial dado que la venta se produce siempre en los niveles ms altos de

precios de la energa, cuando es ms demandada (Indus Corporation, 2008).

As estos sistemas conectados a red proveern una potencia comercial en los periodos

de escasez de energa. No est muy lejos el da en que tanto los hogares como las compaas

contribuyan a la generacin de energa, lo que implicar un clculo ms complejo del precio de

la energa. Tanto hogares como compaas dispondrn de sistemas de almacenamiento y

gestin de energa para administrar la compra y el suministro de la misma en los momentos

ms adecuados. (Indus Corporation, 2008)

Existen numerosas tecnologas de almacenamiento de energa en la actualidad, por lo que

sera interesante comparar entre ellas los distintos aspectos econmicos: inversin, demanda

de espacio, eficiencia, costes de operacin y los costes de intereses.

Est claro que la energa que se suministra cerca de las centrales, no crea demasiados

problemas, pero en ocasiones existen zonas donde debe ser transportada hasta casi 20.000

Km de distancia, con unas prdidas medias del 3% por cada 1000 Km, est claro tambin que la

diferencia entre la oferta y la demanda, principalmente de noche podra ser salvada mediante

el almacenamiento de energa.

Entre los sistemas de almacenamiento de energa, se pueden diferenciar entre: los que

ceden grandes picos de potencia pero tienen una capacidad de almacenamiento baja (ms

aptos para controlar la calidad de la potencia elctrica generada), y los sistemas con gran

capacidad de almacenamiento de energa.



Dentro del primer grupo se pueden destacar los condensadores, los sper-

condensadores, los sper-condensadores magnticos, las bateras y los volantes de inercia.

Estos presentan un tiempo de actuacin que va desde los microsegundos hasta varios minutos

(Korpas, 2004) (McDowall, 2006) (Haisheng Cheng, 2009)

En el segundo grupo se englobara los sistemas de almacenamiento mediante

Hidrgeno, hidroelctrico y gas comprimido entre otros.

La demanda energtica de la sociedad

actual conlleva problemas asociados a

contaminacin y cambio climtico, adems de las

tensiones internacionales que se generan por el

acceso a los recursos, que se encuentran en

continuo agotamiento. Esto lleva a las principales

potencias mundiales a buscar soluciones. Una parte

de esa posible solucin podra pasar por el uso del

hidrgeno como medio de almacenamiento y

transporte energtico.

Una diferencia fundamental entre la estructura actual de suministro energtico y la que se

puede considerar en un futuro, es que, actualmente se obtienen combustibles con pequeas

prdidas de energa primaria, mientras que se genera electricidad con grandes prdidas en la

conversin realizada (50 70 %). A largo plazo, esta relacin probablemente se invierta. En tal

caso, las energas renovables podran alcanzar el estatus de energa primaria por excelencia,

aceptando pequeas prdidas en su conversin hacia energa elctrica; como contrapartida,

habra que aceptar grandes prdidas para obtener combustibles.

Las razones que pretenden sustentar el uso de hidrgeno como combustible son

varias, entre las que destacan:

La tecnologa del hidrgeno tiene una gran eficiencia energtica, ya que la energa

qumica del hidrgeno puede ser convertida de forma directa en electricidad, sin necesidad de

emplear un ciclo termodinmico intermedio. Esta transformacin directa se puede llevar a

cabo en pilas de combustible. Para cualquier sistema de conversin de energa existe un lmite

mximo de eficiencia alcanzable, determinado por el segundo principio de la termodinmica.

Sin embargo las pilas de combustible no requieren de dos reservorios de temperatura para

funcionar (foco caliente y foco fro); y estas pueden operar isotrmicamente a una

temperatura lo suficientemente baja como para que no haya limitaciones impuestas por los

materiales (los materiales permiten alcanzar la temperatura idnea) y lo suficientemente

prxima a la temperatura ambiente como para que el grado de irreversibilidad

correspondiente a la refrigeracin sea mucho menor que el correspondiente a los motores

trmicos; siendo por tanto la eficiencia de las pilas de combustible mayor que la eficiencia de

los motores trmicos.



La dependencia actual del crudo, que se encuentra localizado en regiones muy especficas,

es motivo de tensiones polticas y conflictos internacionales. Tensiones, que podran ir en

aumento a medida que las reservas de crudo escaseen. Ante ello, la ventaja que puede

presentar el uso de hidrgeno como medio de almacenamiento/aprovechamiento energtico

es la capacidad de obtenerlo a partir de una fuente ms accesible y disponible para todos.

No hay que olvidar el problema que presenta la

emisin de CO2 a la atmsfera como consecuencia

de la actividad humana, siendo cada vez mayor su

presencia en la atmsfera alterando los balances

trmicos de nuestro planeta y provocndose

alteraciones climatolgicas. Se atribuyen a las

emisiones de CO2 generadas por la actividad del

hombre la principal causa del aumento de la

temperatura global del planeta mediante el

conocido efecto invernadero (hay gases cuyo efecto

invernadero es ms potente, como metano (CH4) o clorofluorocarbonos CFCl3).

Como sabemos, el hidrgeno no es un recurso energtico que se encuentre disponible en

la naturaleza como tal, sino que ha de ser producido, siendo necesario para ello partir de otras

fuentes de energa. Para que la no emisin de contaminantes como consecuencia del uso del

hidrgeno fuese real es necesario considerar el proceso global ya que para ello se hace

necesario el producirlo mediante mtodo limpios (energa solar, elica, etc.). Por todo ello,

segn el mtodo que se utilice para producir hidrgeno, se podr considerar que se trata de

un modo de uso de la energa contaminante o no contaminante.

A pesar de que existen diferentes formas de almacenar energa elctrica. El hidrgeno se

considera de especial inters debido entre otros factores a que el hidrgeno producido a partir

de agua mediante electrolizadores que empleen energa elica o solar fotovoltaica, es un

combustible tan flexible y til como lo son los derivados del petrleo, sin los inconvenientes

medioambientales, geopolticos y de escasez de recursos asociados a estos, que puede ser

usado tanto en aplicaciones de generacin estacionarias como en el transporte. Adems, el

uso a gran escala del hidrgeno podra suponer el desplazamiento estratgico del control del

suministro energtico del sector transporte de pases inestables, al dominio local, mediante la

produccin propia del hidrgeno.

Para el almacenamiento del hidrgeno producido por el mtodo que fuere, actualmente

existen 4 tipos de tecnologas principales, de las cuales dos son las que estn ms

desarrolladas: la presurizacin del hidrgeno y la absorcin en hidruros metlicos, y dos son las

que se encuentran ms en fase de investigacin y desarrollo: son la absorcin mediante

nanotubos de carbono y la licuefaccin del hidrgeno.

Figura 1. BMW H2R



ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO A PRESIN

Dado que los sistemas y mtodos de produccin generan hidrgeno gaseoso en lugar de

lquido, parece adecuado almacenar y transportar el hidrgeno en dicho estado.

Como cualquier otro gas, el hidrgeno se puede comprimir para reducir su volumen especfico.

La Figura 2 muestra la densidad del hidrgeno en funcin de la presin a una temperatura de

0 C. En ella se puede ver que aumentos progresivos de presin cada vez consiguen aumentos

menores de densidad. Ahora bien, en qu zona de la curva se mueve la tecnologa?

Figura 2. Evolucin de la densidad del hidrgeno con la presin vs gas ideal

El transporte y suministro convencional de hidrgeno se efecta desde hace tiempo en

botellas de acero a una presin de 200 bar para ser utilizado en procesos de soldadura y para

inertizar atmsferas, entre otras aplicaciones. En los proyectos de demostracin de vehculos

movidos con hidrgeno se han empleado presiones superiores: los autobuses de Madrid y

Barcelona (proyecto CUTE, ao 2003) almacenan el hidrgeno a 350 bar, mientras que los ms

recientes proyectos (por ejemplo Nissan X-Trail SUV, ao 2005) han llegado a 700 bar. Sin

embargo, la tecnologa empleada en la fabricacin de las botellas es muy diferente.

La base de la tecnologa de presurizacin del hidrgeno reside en la tolerancia de los

materiales empleados frente al hidrgeno y de su capacidad de mantener una integridad

estructural bajo presin. Actualmente los tanques de acero pueden almacenar hidrgeno a

200-250 bar, pero presentan un ratio muy bajo de hidrgeno almacenado por unidad de peso.



La capacidad de almacenamiento aumenta con presiones an ms altas, pero tiene la

contrapartida de que se requieren materiales ms caros y resistentes.

A modo de ejemplo, los tanques de almacenamiento con revestimientos de aluminio y de

fibra de carbono con matriz de polmeros pueden almacenar el hidrgeno a 350 bar,

consiguiendo un ratio de almacenamiento de hidrgeno por unidad de peso de hasta un 5%, lo

cual representa un valor bastante alto.

Pero como ya se ha dicho, actualmente se estn investigando materiales que pueden

aguantar presiones de hasta 700 bar, con lo que se obtendran unos ratios de almacenamiento

de H2 por peso muy elevados, obviando el gasto de energa que supondra comprimirlo, estos

materiales supondran un gran avance (Ioannis Hadjipaschalis, 2009).

ALMACENAMIENTO MEDIANTE HIDRUROS METLICOS

El almacenamiento de hidrgeno en hidruros metlicos es atractivo porque permite el

almacenamiento de hidrgeno a presiones relativamente bajas, consiguiendo adems una

densidad volumtrica alta. Los sistemas de hidruros metlicos son especialmente beneficiosos

en sistemas estacionarios o de pequea escala, donde la necesidad de almacenar gran

cantidad de hidrgeno en poco volumen prima sobre el peso de los depsitos de metal

hidruro (Brendan D. MacDonald, 2007)

Estos compuestos, obtenidos a travs de la reaccin directa de determinados metales o

aleaciones de metales con el hidrgeno, son capaces de absorber el hidrgeno y restaurarlo

cuando sea necesario. Tienen como caracterstica una baja presin de equilibrio a temperatura

ambiente (inferior a la presin atmosfrica), a fin de evitar fugas y garantizar la integridad de

la contencin y el bajo grado de sensibilidad a las impurezas en el hidrgeno almacenado.

ALMACENAMIENTO EN FORMA DE HIDRGENO LQUIDO

Una posible estrategia para aumentar la densidad del hidrgeno y facilitar su

transporte consiste en enfriarlo por debajo de su punto de ebullicin, de forma que pase a

estado lquido.

La densidad del hidrgeno lquido es de 70,8 kg/m3 a -253 C y 1 bar, superior a la del

hidrgeno gaseoso incluso a presiones tan elevadas como 1.000 bares (60,4 kg/m3), pero muy

inferior a los valores de densidad de lquidos a los que estamos ms habituados como el agua

(1.000 kg/m3) o la gasolina (700 kg/m3). El proceso de licuefaccin del hidrgeno es muy

intensivo energticamente (entre el 30% y el 40% del contenido energtico del hidrgeno

licuado) y tecnolgicamente complejo (slo existen veinte plantas de este tipo en el mundo, de

las cuales cuatro estn en Europa: dos en Alemania, una en Holanda y otra en Francia). Para

mantener el hidrgeno en estado lquido, es necesario almacenarlo en depsitos fuertemente

aislados trmicamente.



Los tanques que se emplean a bordo de los vehculos contienen una mezcla bifsica de

hidrgeno que se mantiene a una presin de entre 3 y 10 bar aproximadamente. Si la presin

es demasiado baja, parte del hidrgeno se vaporiza por medio de una resistencia elctrica o

permitiendo el intercambio de calor con el exterior, y si la presin es demasiado alta, se

expulsa parte del hidrgeno gaseoso.

El aislamiento trmico es la parte fundamental de la tecnologa de estos tanques y est

formado por varias capas de vaco separadas por capas de fibras. Este aislamiento permite que

los depsitos permanezcan hasta 10 das antes de que sea necesario expulsar hidrgeno al

exterior y, una vez que se empiezan a producir expulsiones, el ritmo de prdida diaria es

aproximadamente un 1% de la capacidad del tanque. Los tanques para vehculos se fabrican en

forma cilndrica, no tanto por la presin interior sino para maximizar el volumen interno frente

a la superficie de intercambio de calor con el exterior. Por ello, la longitud y el dimetro se

intentan hacer parecidos, pero las necesidades de cada proyecto concreto pueden forzar a

utilizar otras geometras con peores prestaciones. El uso de unas temperaturas tan reducidas

no slo tiene el problema del aislamiento, sino tambin otros como la contraccin y la

fragilizacin de los materiales, la posibilidad de congelacin del oxgeno del aire circundante, el

posible derrame en caso de accidente y su rpida expansin en contacto con el aire.

El almacenamiento, es slo uno de los problemas que tiene que resolver la

investigacin. El otro gran caballo de batalla es aumentar la eficiencia energtica de los

sistemas. A pesar de que, como ya se ha dicho, la eficiencia de los equipos involucrados en la

tecnologa del hidrgeno es muy alta, superior a la de los motores de combustin interna, el

ciclo de conversin de la energa elctrica en hidrgeno y a su vez en energa elctrica para su

reutilizacin conlleva unas prdidas muy elevadas.

He aqu por ello, que se est realizando una gran labor investigadora con motivo de

aumentar la eficiencia de estos sistemas en todos los puntos posibles. Se estn realizando

grandes esfuerzos en aumentar la eficiencia de cada equipo involucrado y as mismo es

Figura 3. Depsitos de hidrgeno de Hidruros metlicos.



necesario optimizar la propia configuracin y topologa de las instalaciones de tal manera que

haya el menor nmero de prdidas de energa en los flujos energticos entre los distintos

equipos.

Esta labor no es una tarea fcil, ya que los sistemas actuales tienden a combinar diversas

tecnologas de almacenamiento, denominndose sistemas hbridos. Es en estos sistemas

donde los algoritmos y estrategias de control cobran valor. Pero no hay que olvidar que si

estos algoritmos se implementan sobre una planta con un diseo que fsicamente implique

elevadas prdidas energticas en los flujos de energa, obtendr resultados mucho peores que

si se implementa sobre un sistema que tenga una estructura o topologa, simplificada u

optimizada para reducir al mnimo las prdidas de los flujos de energa que ordene el sistema

de control en cada momento.

Con este objetivo se ha desarrollado el siguiente trabajo, donde se estudian distintas

formas de optimizar el acoplamiento de los equipos de modo que la eficiencia global sea la

mxima posible. Sin duda, los convertidores electrnicos de potencia juegan un papel

fundamental, que pasamos a ver, pero hay otras alternativas tecnolgicas interesantes y

dignas de estudio.



2. TOPOLOGAS EXISTENTES EN EL ESTADO DEL ARTE, CONVERTIDORES DC-DC Y

PROBLEMTICA ASOCIADA.

Uno de los elementos principales de las instalaciones de almacenamiento de energa son

los elementos de electrnica de potencia que requieren los diversos equipos para conectarse

entre s y permitir el flujo de energa elctrica. Dicha electrnica se encarga de la adecuacin

de los niveles de tensin e intensidad de los distintos equipos que se conectan entre s y la

adaptacin de la potencia entregada en los niveles de calidad necesarios. Sin embargo, con el

objetivo de minimizar costes y aumentar la eficiencia del conjunto, se han ido desarrollando

algunas ideas o conceptos para eliminar o minimizar el mximo nmero de convertidores

implicados, mediante la tcnica conocida como el acoplamiento directo.

1. Configuraciones existentes en el estado del arte

Se presentan a continuacin las diversas formas de configurar una instalacin de

almacenamiento de energa elctrica de forma hbrida mediante hidrgeno y bateras. Las

configuraciones determinaran directamente el nmero de convertidores a usar. Dichas

configuraciones dependen lgicamente de las caractersticas de los subgrupos tecnolgicos

que clasificaremos en: Generacin, almacenamiento y reconversin. La generacin de

electricidad puede ser mediante un campo fotovoltaico o aerogeneradores, la produccin de

hidrgeno englobada en este subgrupo se realiza mediante electrolisis, que puede ser a partir

de un electrolizador fabricado para operar en CC o AC, los niveles de tensin en que opera la

pila de combustible al reconvertir el hidrgeno en electricidad tambin son determinantes.

Particularmente, en este documento vamos a estudiar exclusivamente las instalaciones que

producen hidrgeno a partir de energa solar fotovoltaica.

Estos sistemas, de produccin de hidrgeno a partir de energa solar estn muy

extendidos y a su vez se pueden dividir en dos grupos, los conectados a la red elctrica o los

sistemas que se encuentran aislados:

Los sistemas de conexin a red permiten eliminar los problemas relacionados con la

operacin intermitente del electrolizador mediante la combinacin de la energa fotovoltaica y

la conexin a red. El acondicionamiento de potencia ayuda a que el electrolizador reciba una

alimentacin constante (DC o AC de entrada). Con este sistema se busca operar el

electrolizador a la potencia nominal de manera continua.

En el caso de instalaciones renovables situadas en zonas remotas, donde la red

elctrica no est disponible, los sistemas deben ser totalmente autnomos y deben ser

dimensionados con la capacidad suficiente como para abastecer la carga, es decir, no disponen

del respaldo de la red elctrica para aumentar la fiabilidad del sistema.



Sin embargo los sistemas conectados a red tienen otro tipo de inconvenientes, como la

adecuacin de la corriente elctrica destinada a ser inyectada en la red, es decir, se debe

suministrar la energa con unos niveles de tensin y frecuencia precisos.

Para el caso de una instalacin que dispone de la red elctrica, existen en la literatura,

tres configuraciones tpicas.

Figura 4. Configuraciones existentes en el estado del arte.

Observamos como dependiendo de la configuracin, cambia el numero de

convertidores dc/dc y dc/ac usados.

Las bateras en ningn caso emplean un convertidor para conectarse al bus y se

utilizan en este tipo de sistemas para abastecer la demanda de energa a corto plazo y

mantener la tensin en el bus dc.

En la configuracin A, el acoplamiento es directo en corriente continua y solo se

requiere un convertidor para abastecer a la carga en corriente alterna. Esto requiere un

electrolizador que pueda ser alimentado mediante corriente continua. Recordemos que la

mayora de electrolizadores comerciales no vienen preparados para operar en estas

condiciones, sino que estn diseados para alimentarse de la red elctrica bajo corriente

alterna.

En el caso B, el acoplamiento no es directo, se emplean dos convertidores, al igual que

en el caso anterior uno para la conectar pila de combustible y carga, pero adems se emplea

un convertidor para conectar el electrolizador al bus de corriente continua, permitiendo as el



funcionamiento del electrolizador a carga variable y una mayor flexibilidad a la hora de

dimensionar el campo fotovoltaico. Tambin requiere un electrolizador de funcionamiento en

CC y no en AC.

En el caso C, se emplean nuevamente dos convertidores, en este caso particular seran

dos inversores, de continua a alterna. El electrolizador en este caso, puede operar en corriente

alterna.

En la mayora de los sistemas a pequea escala, el electrolizador se suele conectar de

manera directa al campo fotovoltaico. El principal inconveniente de este procedimiento se

halla en la dificultad de disear el campo fotovoltaico de tal manera que las curvas de

funcionamiento del campo y del electrolizador se solapen para obtener la mxima potencia del

campo fotovoltaico a travs del electrolizador. (A. Yilanci, 2009)

2. Optimizacin del acoplamiento directo

Estos sistema consisten en general en el suministro de energa elctrica a un generador de

hidrgeno (electrolizador) por un disposicin de los paneles solares (fotovoltaicos (PV) del

sistema). Este acoplamiento deber cumplir las condiciones siguientes:

Se debe suministrar una tensin mnima necesaria para el electrolizador para la

llevar a cabo la descomposicin del agua.

El nmero de equipos auxiliares debe ser mnimo para que la eficiencia global pueda

ser mayor.

Cada sistema (electrolizador y paneles de energa solar fotovoltaica) debe trabajar a su

punto de mxima potencia (MPP) con el fin de obtener la mxima eficiencia global.

Se debe tener especial cuidado en el diseo del campo fotovoltaico de tal manera que la curva

se acople con la curva de funcionamiento del electrolizador lo mejor posible, como se observa

en la figura:

Figura 5. Acoplamiento de la curva del electrolizador y la curva del campo fotovoltaico en diferentes condiciones de irradiancia y temperatura.



Se observa en la figura de arriba que el electrolizador puede generar hidrgeno a

partir de irradiancias bajas, independientemente de la temperatura, sin embargo para

irradiancias bajas (200 W/m2) el punto de trabajo est lejos de la PMP, provocando que la

eficiencia global del sistema disminuya. Por otro lado, en condiciones de irradiancias de entre

600 y 800W/m2, el punto de trabajo est cerca de la PMP. Y para valores de irradiancia por

encima de 800W/m2, el punto de trabajo est muy distante del PMP para este caso. (L.G.

Arriaga, 2007)

Para el ajuste de las curvas es necesario por tanto una caracterizacin del

electrolizador y un conocimiento preciso del funcionamiento del mismo. Tambin se hace

necesario el estudio previo de manera terica con modelos lo ms precisos posibles. La idea de

este sistema es disear el campo fotovoltaico de tal modo que las diferentes curvas de

funcionamiento del campo fotovoltaico, producto de las variaciones meteorolgicas se

acoplen de la mejor manera posible a la curva de funcionamiento del electrolizador.

Para esto hay que encontrar la mejor combinacin de paneles conectados en serie y en

paralelo que transfieran la mayor cantidad de energa al electrolizador. La curva caracterstica

del electrolizador debe seguir lo ms fiel posible la lnea de los puntos de mxima potencia del

campo fotovoltaico para cada nivel de irradiancia. La interconexin de los paneles solares se

debe hacer de tal modo que produzcan 48 Vdc (para este ejemplo), como se muestra en la

figura siguiente.

Figura 6. Asociacin de paneles

Este nivel de tensin es uno de los ms empleados por electrolizadores, al permitir un buen

acople con el generador fotovoltaico.

Otras estrategias proponen variar el nmero de paneles en serie-paralelo y adems

cambiar el nmero de celdas serie-paralelo del electrolizador (Biddyut Paul, 2008) como se

observa en la figura:



Figura 7. Ajuste de paneles y celdas propuesto.

La curva de funcionamiento del electrolizador se debera desplazar a lo largo del eje de

tensin mediante la adicin de las celdas PEM en serie, o se extendera verticalmente en la

direccin actual en la adicin de celdas en paralelo.

Esto es una tecnologa an experimental. Y requiere que toda una tecnologa de

fabricacin de electrolizadores se adapte. Sin embargo, los resultados de eficiencia que se

pueden obtener son bastante buenos.

Figura 8. Cuadro de resultados de optimizacin del acoplamiento directo (Biddyut Paul, 2008)

3. Mejoras en el diseo y acoplamiento cuando se emplean convertidores.

En esta sub-seccin se estudia la posibilidad de mejoras del acoplamiento

mediante convertidores y las ventajas que ofrecen frente al acoplamiento directo.

El objetivo sigue siendo maximizar la produccin de energa del generador

fotovoltaico, que debera funcionar siempre en su punto de mxima potencia (MPP) con el fin

de obtener una mxima eficiencia global.

Como sabemos, algunos autores han apoyado la conexin directa entre el generador

fotovoltaico y el electrolizador. Si bien es cierto que las curvas de funcionamiento del

generador fotovoltaico y del electrolizador ofrecen buenas posibilidades de acoplamiento,

dado que si el tamao relativo del electrolizador y el generador fotovoltaico estn

optimizados, el punto de trabajo, en el acoplamiento directo, se puede situar muy cerca del

PMP del generador fotovoltaico, por lo que la eficiencia global del sistema es aceptable. Sin



embargo, el acoplamiento directo restringe y reduce la flexibilidad en el dimensionado de la

instalacin, ya que el rango de tensin del electrolizador debe coincidir con la gama de

tensiones posibles en el PMP en el generador fotovoltaico.

Por ello, otros autores mantienen que el uso de convertidores otorga una mayor

eficiencia gracias al control seguidor de PMP. Esta opcin ofrece una mayor flexibilidad de

diseo, pero slo el punto ptimo de trabajo del generador fotovoltaico se tiene en cuenta en

el diseo del seguidor del PMP y sabemos que la curva I-V en un generador fotovoltaico

cambia con la irradiancia y la temperatura.

Existen varios mtodos y algoritmos para el seguimiento del punto de mxima

potencia, pero la curva de V-I en un electrolizador tambin vara con la temperatura y la

presin de trabajo. Esta situacin implica la necesidad de algoritmos especfico que busque el

mejor PMP que acople el generador FV y el electrolizador.

Los convertidores dc/dc controlados con estos algoritmos muestran una adaptabilidad

mejor a las condiciones de radiacin cambiantes que los sistemas basados en acoplamiento

directo, adems de permitir una mayor flexibilidad en el dimensionado del generador

fotovoltaico. (R. Garca-Valverde, 2008)

Para demostrar esto los investigadores comparan ambas configuraciones:

a) Acoplamiento directo

b) Acoplamiento mediante dc-dc con algoritmo MPPT especifico para

electrolizador.

Para cada caso adems se contemplan dos sub-casos con dos tipos de electrolizadores:

Opcin 1: electrolizador de 7 celdas, rea celda: 300 cm2

Opcin 2: electrolizador de 30 celdas, 70 cm2 de rea. (Especifico para trabajar acoplado con

el generador fotovoltaico)

En los dos casos los electrolizadores del ejemplo que se presenta, tienen una potencia de

4.2KWp. Se presenta a continuacin los niveles de irradiancia a los que se va a someter el

sistema:



Figura 9. Perfil de Irradiancia al que se va someter el sistema.

Y los resultados de las pruebas fueron los siguientes:



Se observa que en el caso de usar convertidores se obtiene mayor produccin de energa e

hidrgeno, aunque no muestran una ventaja clara en la produccin con respecto a la segunda

opcin de acoplamiento directo optimizado mediante variacin de celdas.

En la ltima grfica si se muestra una diferencia clara en la adaptacin a las condiciones

cambiantes, ya que el controlador dc-dc permite adaptar paulatinamente la produccin del

electrolizador con la radiacin, protegindolo de los cambios bruscos provocados por las

condiciones atmosfricas variables y prolongando su vida til.

4. Otras consideraciones sobre el uso o no uso de convertidores.

Anteriormente se ha visto una muestra de los numerosos estudios en sistemas basados en

acoplamiento directo que arrojan cierta esperanza ya que los resultados de optimizacin de

acoplamiento directo son solo ligeramente inferiores a los resultados de rendimiento de los

sistemas que emplean convertidores. Como se ha expresado en las lneas anteriores, la

flexibilidad en el diseo del generador fotovoltaico se ve reducida en el acoplamiento directo,

pero esto no parece ser una desventaja muy significativa. S lo es ms el hecho de que los

convertidores permiten una mejor adaptacin y respuesta de los equipos a las condiciones

atmosfricas cambiantes, lo que incrementara la vida til de los equipos.



Pero aparte de todo esto, an no se han tenido en cuenta otros factores de notable inters:

El electrolizador y pila de combustible, as como las bateras, operan normalmente a

bajos voltajes, si consideramos un acoplamiento directo, el voltaje del bus de continua

debe ser tambin bajo. Como consecuencia de esto, las corrientes en los circuitos han

de ser mayores para transferir la misma potencia. Si evaluamos esto en una planta

real, donde el cableado elctrico puede constar de cientos de metros, es obvio, que las

perdidas Joule deberan ser tenidas en cuenta ya que podran causar un grave

descenso en la eficiencia.

Bajo esta nueva consideracin existe un estudio (H. Solmecke, Comparison of solar

hydrogen storage systems with and without converters, 2000) ensayado sobre la planta

PHOEBUS (Alemania) donde se comparan eficiencias y costes. Considerando adems el coste

del cableado en el caso de acoplamiento directo, ya que para conducir las altas densidades de

corriente se necesitara adems mayor cantidad de cobre.

As por ejemplo, el estudio muestra en la siguiente figura el incremento en los costes de

cableado en trminos porcentuales sobre la instalacin para cada configuracin:

Figura 10 (H. Solmecke, Comparison of solar hydrogen storage systems with and without converters, 2000)

En el estudio se expresa adems, que el empleo de un convertidor bidireccional, en

lugar de dos separados (uno para la pila y otro para el electrolizador) puede reducir an ms

los costes.



A la vista de esto, parece que la consideracin del acoplamiento directo queda en

desventaja. Sin embargo. Qu ocurre con la eficiencia? Parece claro que el empleo de

convertidores conlleva una prdida de eficiencia frente al acoplamiento directo.

Pero si se analiza este hecho ms detalladamente, sabemos que en un sistema sin

convertidores, a la hora de conectarnos a la red elctrica o una vivienda, se hace necesario el

uso de un inversor. Para un tamao real, por ejemplo un inversor de unos 15 KVA habra dos

posibilidades:

- Un convertidor auto-conmutado que genere el voltaje AC. Pero esto implica,

desafortunadamente, que el tamao del equipo requerido sea enorme, debido a la

frecuencia de 50 Hz que se quiere conseguir a partir de bajo voltaje y altas corrientes.

Esto adems conlleva que solo se puedan conseguir unas eficiencias en estos equipos

de entre el 75 y el 92 % para el transformador necesario, y del 90 % para el

convertidor, lo que resulta en un 68-84% de eficiencia.

- Un inversor con un convertidor interno para elevar el bajo voltaje previamente a

realizar la inversin DC-AC. Pero en realidad esto equivaldra a usar un convertidor en

el sistema de almacenamiento de energa para electrolizador y pila, siendo adems

ms eficiente instalarlo en el camino del almacenamiento de energa y no en el camino

directo, ya que no se hace pasar tanta energa por estos convertidores, como se hara

pasar por el convertidor instalado junto al inversor.

Por el contrario, si se emplea un bus de voltaje elevado (30-50 V), permitira partir de unas

tensiones ms altas antes de elevarlas y convertirlas en AC, siendo los inversores en este caso,

ms eficientes. (Lindemann, 1993)

Adems, si eliminamos el convertidor de la pila, se ha de instalar en la misma un diodo o algn

elemento semiconductor que bloquee la corriente inversa, lo que conlleva perdidas

adicionales de entre el 2 y el 3 %.

Tambin se ha de tener en cuenta en un acoplamiento directo, que realmente necesitaramos

dos interruptores para conectar el electrolizador y pila para regular la entrada en

funcionamiento de los equipos y controlar de algn modo los puntos de trabajo de los mismos,

lo que puede introducir mayores prdidas.

Finalmente, los resultados del estudio comparativo sobre la planta PHOEBUS son los

siguientes:

Eficiencia del 65.2 % para el sistema sin convertidores

Eficiencia del 69.6 % para el sistema con convertidores



Figura 12. Esquema flujos energticos planta Phoebus sin convertidores

Bajo este estudio, parece haber quedado demostrado que el empleo de convertidores

en un rango de potencia media es ventajoso. El sistema total parece ser menos costoso y

eficiente. Nuevos convertidores de eficiencias mayores pueden respaldar ms aun esta

topologa. De tal modo que un sistema hibrido de almacenamiento de energa mediante

hidrgeno para aplicaciones aisladas debera tener al menos dos convertidores, un inversor

DC-AC y un convertidor bidireccional DC-DC que se emplee para la pila y el electrolizador.

Hay que tener en cuenta que el presente estudio sobre la planta Phoebus se simul

ayudndose de datos experimentales de la instalacin con convertidores de que dispone la

planta. No son resultados experimentales.

Como se ha visto, hay gran cantidad de factores y variables que vienen a aumentar la

complejidad del problema. Por este motivo, se ha desarrollado el presente trabajo, donde se

van a intentar arrojar luz sobre este problema y obtener conclusiones definitivas sobre el uso

de convertidores de potencia.

Figura 11. Esquema flujos energticos planta Phoebus con convertidores



3. OBJETIVO DEL TRABAJO

El objetivo del trabajo se centra en estudiar la topologa ms eficiente en cuanto al uso

de convertidores de corriente continua en este tipo de instalaciones.

Es un estudio realizado para el Laboratorio de Hidrogeno y Pilas de combustible del

grupo de Termotecnia (http://tmt.us.es) de la Universidad de Sevilla.

El laboratorio que se encuentra en el mdulo L2 est destinado a la evaluacin y

desarrollo de estrategias de control de sistemas de almacenamiento de energa mediante

diversas tecnologas, adems de los diferentes trabajos relacionados con el uso de las

tecnologas de hidrgeno que se puedan llevar a cabo.

El funcionamiento de la instalacin es el siguiente: Se persigue almacenar la energa

sobrante producida por un campo de paneles fotovoltaicos en los periodos en los que la

demanda es inferior a la generacin. Este campo es simulado por una fuente de alimentacin

programable. La energa elctrica en exceso se enva a un electrolizador con el fin de producir

hidrgeno, que ser almacenado. Posteriormente este hidrgeno puede ser transformado en

energa elctrica mediante una pila de combustible, en el momento ms conveniente.

Los diferentes equipos se conectan entre s elctricamente a travs de un bus de

corriente continua, cuya tensin se establece a 48 V. La tensin de dicho bus es mantenida por

unas bateras, lo que implica que la tensin no se mantendr constante, si no que oscilar

levemente en torno a ese valor de 48 V en funcin del estado de carga de las bateras.

Con el objetivo de analizar en profundidad las distintas configuraciones se realiz un

modelo matemtico de la parte elctrica de la instalacin para as estudiar el comportamiento

del voltaje del bus, el correcto funcionamiento de la instalacin, eficiencias de los flujos de

energa y posibles configuraciones alternativas.

El objetivo del trabajo no es dimensionar la instalacin, ni estudiar posibles mejoras en

su dimensionado, sino, partiendo de un sistema establecido, estudiar qu es ms beneficioso:

si instalar convertidores o realizar un acoplamiento directo.



Dentro de todas las topologas, no se discute la inclusin de las bateras, es algo que se

asume como necesario ya que aporta grandes beneficios al funcionamiento del conjunto,

actuando como un buffer de energa, manteniendo la tensin, permitiendo estrategias de

control ms complejas y permitiendo el uso de los equipos electrolizador y pila a potencia

nominal, evitando as que se enfrenten directamente a perfiles irregulares de generacin y

demanda, perjudiciales para la vida de los equipos.



4. MODELO EN MATLAB DESARROLLADO

El modelo creado permite simular la parte elctrica de una instalacin de generacin de

energa elctrica procedente de renovable con almacenamiento de energa mediante

hidrgeno y bateras.

El funcionamiento como ya se ha explicado es el siguiente: Los paneles fotovoltaicos

alimentan una carga, que puede ser la red elctrica o una vivienda. Cuando la energa

generada por los paneles supera la demandada, el exceso de energa se almacena en las

bateras o en forma de hidrgeno a travs del electrolizador. El sistema de control debe decidir

que mtodo de almacenamiento de energa es ms adecuado emplear. Cuando se requiera

energa porque los paneles no puedan aportar la potencia demandada por la carga, la pila de

combustible y las bateras deben aportar el defecto de energa. En estas instalaciones un punto

clave son por tanto los convertidores y la eficiencia de los flujos energticos. La estrategia de

control y gestin mediante software, por buena que sea, debe estar respaldada por un sistema

fsico diseado lo ms eficientemente posible.

El modelo en Matlab-Simulink implementa de manera sencilla las ecuaciones de nodos y

mallas del circuito elctrico y lo resuelve mediante integracin.

Los elementos que se han modelado han sido los siguientes:

Generador Fotovoltaico:

Mdulo Isofoton I-106/12

Potencia pico del mdulo: 106 Wp

Intensidad en el punto de mxima potencia: 6.10 A

Voltaje en el punto de mxima potencia: 17.4 V

Nmero de paneles: 14

Paneles serie/paralelo: depende del esquema de la instalacin.

Potencia pico del generador: 1484 Wp

Electrolizador:

Potencia mxima: 1 kW

Tensin nominal 11 Vdc

Corriente: 10-80 A.

Pila de combustible:

Potencia: 1.5 kW

Tensin de operacin : 36-57 Vdc

Mxima corriente: 42 A

Bateras:

24 Bateras de 2 V cada una

C100=359 Ah

Tensin nominal 2 V



JUSTIFICACIN Y DESCRIPCIN DETALLADA DE LOS ELEMENTOS DEL MODELO:

Generador Fotovoltaico:

El generador fotovoltaico se ha modelado mediante una funcin .m de Matlab que

implementa el siguiente esquema elctrico:

Esquema del modelo:

Figura 13. Modelo elctrico de un panel fotovoltaico.

La ecuacin que nos da la corriente inyectada por el campo fotovoltaico es la siguiente:

Isc_sf , representa la intensidad de corto circuito (short-circuit) del campo fotovoltaico, la cual a

su vez se calcula previamente como.

Se divide por 1000, para calcular Isc en cualquier condicin distinta a las condiciones

estndar de medida. Isc representa la intensidad de cortocircuito para el mdulo fotovoltaico.

Recordemos que las condiciones Estndar de Medida (CEM): T = 25C AM = 1,5 E =

1.000 W/m2

Estas ecuaciones se han implementado en un programa en Matlab que permite

calcular la curva de funcionamiento del campo fotovoltaico a distintos niveles de Irrandiancia y

temperatura.

Para comprobarlo, veamos la curva I-V del panel fotovoltaico a distintos niveles de irradiancia:



Figura 14.Curvas V-I panel Isofoton.

Y podemos ver tambin la influencia de la temperatura en la siguiente grfica

Figura 15. Curvas V-I panel Isofoton a distintas temperaturas

Como se observa, la dependencia de la temperatura es muy acusada, provocando que

a medida que aumenta la temperatura del panel disminuya la potencia elctrica que podemos

extraer del mismo.

El nmero de paneles en serie y en paralelo varia para cada esquema, y se justifica en

cada caso por tanto. Pero siempre manteniendo el mismo nmero de paneles totales, para as

comparar los flujos energticos partiendo de que todos los esquemas disponen de la misma

potencia instalada.

0 5 10 15 20 251

2

3

4

5

6

7

v (V)

I (A

)

1000 W/m2

800 W/m2

500 W/m2

0 5 10 15 20 252

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

tensin(V)

inte

nsid

ad(A

)

T=40C

T=25C

T=10C



Electrolizador:

El electrolizador se ha modelado de manera simplificada como una carga resistiva en

paralelo con el sistema, que se conecta mediante un interruptor controlable. La librera de

Matlab Simpowers empleada permite usar un modelo de interruptor para observar lo que

ocurre con la tensin e intensidad en el sistema y en el electrolizador cuando se cierra y abre

el mismo.

Es muy importante tener en cuenta que el nmero de paneles del campo Fotovoltaico

se ha dimensionado con propsito de beneficiar el acoplamiento directo con el electrolizador

(cuando se analiza este caso), es decir, se han elegido los paneles de tal modo que la recta de

carga del electrolizador se encuentre lo ms cercana posible al punto de mxima potencia de

la curva de funcionamiento de los paneles a 1000 W/m2.

Cuando cambie el nivel de irradiancia, nos alejaremos del punto de funcionamiento

para el que se ha diseado, sin embargo lo ms adecuado sigue siendo disear el acoplamiento

para este nivel de irradiancia, ya que el electrolizador funcionar normalmente en un nivel

muy alto, o mximo de irradiancia, que ser cuando tengamos mayor cantidad de energa

sobrante tambin.

El comportamiento elctrico del electrolizador se observa a travs de su curva I-V de

funcionamiento, la cual presenta un aspecto de este tipo:

Figura 16. Curvas tericas I-V de un electrolizador alcalino a distintas temperaturas.

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 500 1000 1500

Vo

ltaj

e d

ela

ce

lda

(V)

Densidad de corriente (A/m2)

Curva Caracterstica I - U

80 C

50 C

20 C

P = 7 bar



A medida que asciende el nivel de corriente en el eje de abscisas, la tensin va

subiendo, primero de manera muy acusada y despus alcanza rpidamente un punto de

inflexin donde sigue aumentando, pero de manera poco pronunciada, manteniendo un

comportamiento lineal.

El electrolizador del presente trabajo muestra un comportamiento de este tipo.

Adems, el electrolizador no puede funcionar a una corriente inferior a una mnima

establecida por el fabricante. Dicha corriente mnima se establece por seguridad, para evitar

que la corriente de hidrgeno generada presente un contenido de oxigeno inadecuado o

peligroso.

Como se estudia el funcionamiento del sistema a una corriente superior a la mnima de

10 A. La curva de funcionamiento es casi lineal, tambin podemos observar esto en la curva

experimental obtenida para el electrolizador tipo PEM, Hamilton Standard, que es el modelo

de electrolizador de que dispone el Laboratorio.

Figura 17. Curva experimental I-V del electrolizador PEM Hamilton Standard.

Por tanto, suponiendo que siempre operamos muy cerca del punto nominal, se puede

simplificar el modelo. Y considerar que se comporta como una resistencia. Por tanto, de

acuerdo con esto, se puede modelar el electrolizador como una carga resistiva constante que

se representar mediante una recta. Al igual que se hace en otros estudios y publicaciones

cientficas como por ejemplo: (A. Garrigos, 2010)

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

0 20 40 60 80

Te

ns

in

(V

)

Intensidad (A)

Curva V-I Electrolizador a 26C



Figura 18. Curva de funcionamiento de un electrolizador modelada de forma lineal.

El clculo de la carga resistiva que representa el electrolizador se explica para cada

caso, pero sigue el principio de conservacin de energa, debe consumir 1kW ms otras

prdidas (como convertidores acoplados) al conectarse a la tensin del bus de continua. Lo

que significa que funciona a potencia constante, consumiendo el mximo posible. La

justificacin del funcionamiento a potencia nominal se realiza dentro del apartado estrategias

de control.

Bateras:

El modelo matemtico de batera que se emplea se ha obtenido de la librera de Matlab

Simpowers, del cual podemos destacar que incorpora una resistencia interna y por tanto se ha

modelado con un rendimiento y unas prdidas.

Las bateras se han elegido de plomo-cido, por ser las ms extendidas en la industria,

sin embargo el modelo tiene la capacidad de ser modificado fcilmente para simular otras

tecnologas (in-litio, niquel-metal hidruro).

La motivacin de la inclusin de bateras ha sido, la visin de las posibilidades de

control involucradas al introducir estos elementos. Tras realizar distintos estudios, los

resultados indican que la inclusin de bateras como sistema auxiliar de potencia otorga un

mejor funcionamiento de estas instalaciones, y permite que las tcnicas de control ms

modernas optimicen el funcionamiento del sistema.

Se ha comprobado en que el uso de bateras para absorber los picos de generacin y

cubrir a su vez los picos de demanda cuando sea necesario, mejora el rendimiento de estas

instalaciones (Agbossou, 2004).

Como est previsto instalar un bus de corriente continua de 48 VdC, el dimensionado

del banco de bateras necesarios es el siguiente:



As conociendo que la capacidad de las bateras en Ah viene dada por:

1max

max

1.1 D en

D Tacu

N E Wh diaC

P V

(0.1)

Y sabiendo que:

ND = Das de autonoma especificados

Eemax = Promedio de energa elctrica diaria solicitada por la instalacin receptora (En el mes de

mximo consumo.

PDmax = Profundidad de descarga.

VTacu= Tensin bateras.

Podemos dimensionar el grupo de bateras que necesitaremos para cada situacin.

a) Instalacin aislada de la red elctrica (Vivienda).

Se ha supuesto que el consumo se realizar fundamentalmente por la noche y se

destinar a la iluminacin (desde las 18 h. hasta las 24 h. en otoo-invierno y desde las 22 h.

hasta las 1 h. en primavera-verano), y el consumo de la TV se estima que ser durante el

medioda (2h) y por la noche (4h).

Los fabricantes de bateras recomiendan no usar una profundidad de descarga no superior al

70% de su capacidad total, para as aumentar el nmero de ciclos de vida de la misma.

Para nuestro estudio vamos a ser ms conservadores y usaremos una profundidad de descarga

del 60% como mximo. Pronosticando adems un uso durante tres das. Obtenemos una

capacidad nominal de:

Cn= 333.47 Ah

Para abastecer ese nivel de Ah se ha seleccionado el grupo de bateras que se han

descrito anteriormente.

b) Instalacin conectada al sistema elctrico

En el caso de una instalacin renovable conectada al sistema elctrico, la inclusin de

bateras tiene unos costes evidentemente mayores y evidencian las ventajas de los sistemas de

almacenamiento basados en hidrgeno.



Segn Red Elctrica Espaola, la energa media diaria que puede solicitar el sistema

elctrico sigue la curva de demanda mostrada en la figura de abajo.

Figura 19. Demanda de energa elctrica.

Si la planta de Generacin (hablamos de una planta Fotovoltaica) sufriera demandas

de corriente siguiendo esa curva caracterstica (algo comn ya que la demanda y la generacin

de una planta fotovoltaica en un da soleado siguen curvas similares) y si suponemos que las

condiciones climticas son desfavorables a la generacin durante solo dos das (no cinco, como

en el caso anterior), necesitaramos, realizando los mismo clculos ms de 5800 Ah, lo que

implica una cantidad de energa inabordable por medio de bateras. El volumen del banco de

bateras resulta demasiado elevado, por eso en los sistemas de almacenamiento de gran

cantidad de energa, no se utilizan las bateras como sistema prioritario. El modelo matemtico para las bateras implementa una resistencia interna en las

bateras de R = 0.0046 Ohm. Y las curvas caractersticas son las siguientes:

Figura 20. Curvas capacidad frente a tensin de la batera

0 50 100 150 200 250 300 350 400

35

40

45

50

55

Ampere-hour (Ah)

Voltage

Nominal Current Discharge Characteristic at 0.05C (13A)

Discharge curve

Nominal area

Exponential area

0 50 100 150 200 250 300 350 400

40

45

50

55

E0 = 50.58, R = 0.0046154, K = 1.32, A = 2.64, B = 14.4231

Ampere-hour (Ah)

Voltage



En estas dos grficas se representa la misma curva de descarga, pero en la superior se

sombrea el rea nominal de funcionamiento y en la de abajo slo se representa la curva de

descarga.

La curva de descarga da una medida de la energa que ha cedido la batera y por tanto,

sabiendo el mximo que puede dar la batera, es una medida de la energa que puede an

ceder a un voltaje dado. El voltaje es funcin del estado de carga de la misma. As a un voltaje

de 40 V, la batera ha cedido ya 230 Ah, multiplicado por el voltaje, es una medida de energa

cedida, y sabiendo el mximo de 250 Ah es una medida de la energa que le queda por ceder.

Del mismo modo si el voltaje es de 48 V, obtenemos, segn la curva, una medida de 50 Ah, lo

que significa que hemos cedido muy poca cantidad de energa, o que hemos absorbido mucha.

An quedaran por ceder 200 Ah y tendra una capacidad de absorber de solo 50 Ah hasta el

mximo.

Pila de combustible:

La pila de combustible se modela como una fuente ideal de intensidad conectada en

paralelo con un diodo que impida la corriente en sentido inverso. El modelo del diodo e

interruptor de la pila contempla prdidas Joule. Del mismo modo que el electrolizador, la pila

funciona a potencia mxima, aportando toda la corriente que puede dar. Este modo de

funcionamiento se justificar ms adelante en el apartado de estrategias de control.

Es decir, la pila ser el equipo que se encargue de inyectar corriente al bus de la

instalacin. El funcionamiento a potencia variable de los equipos es posible de estudiar, pero

enturbia bastante los ensayos sin aportar nada significativo para el objetivo de este trabajo. Y

el funcionamiento a potencia nominal es una estrategia muy empleada ya que aumenta la vida

de los equipos, aunque disminuya la eficiencia global del sistema.

Demanda de energa elctrica

Finalmente para modelar la demanda se emplea otra resistencia elctrica, calculada para

cada caso que consuma la potencia prefijada. Para simplificar el estudio y centrarnos en los

objetivos del documento, no se ha considerado que la demanda de energa vare durante el

da.

El modelo incorpora una fuente de intensidad en serie, la cual permite ajustar la

intensidad de la corriente que circula por la carga en funcin del voltaje del bus, para as

mantener la potencia consumida constante. Funcin que desempeara el inversor final que se

debe colocar para pasar de corriente continua a alterna.



Las simulaciones se realizan para 24 horas, como se ha dicho, que es un tiempo suficiente

para ver la evolucin del estado de carga de las bateras. Se utiliza el mtodo de integracin

ode23t, con paso de integracin variable y como base de tiempo en segundos.

- Nociones importantes del funcionamiento del conjunto elctrico:

La inclusin de bateras tiene una repercusin muy importante en el funcionamiento del

conjunto, de tal modo que el punto de funcionamiento elctrico de la instalacin queda

totalmente determinado por el estado de carga de las bateras.

Esto es, mientras las bateras se encuentren en un estado de carga intermedio, ni

totalmente cargadas ni descargadas, la tensin del bus es correcta y es controlada por las

bateras (en torno a 12 V por ejemplo) pero si se alcanzan los niveles mximos y mnimos en

las bateras estas no se mantienen a 15 V ni 9 V, sino que dejan de funcionar totalmente, y la

tensin del bus es la correspondiente a la interseccin del campo FV y la recta de la carga, la

cual puede ser muy distinta a la tensin de operacin normal del bus.

Esto tiene la grave repercusin de que los niveles tensin e intensidad para los que se

disea la instalacin en el funcionamiento normal de las bateras cambian radicalmente

cuando dejan de funcionar estas, sufriendo la instalacin unas corrientes y voltajes para los

que no est diseada.

Por tanto, hay que evitar siempre que las bateras dejen de funcionar, o que el punto de

funcionamiento, cuando las bateras no se encuentren operativas, no se aleje mucho del

funcionamiento normal cuando las bateras operan. Otra opcin es emplear algn medio

electrnico que controle la tensin, esto es un convertidor, regulador de carga, etc.

Las bateras se agruparn en serie hasta conseguir una tensin en el bus de corriente de 48

Vdc, por ser un valor lo suficientemente alto como para que las prdidas joule y las perdidas

en las eficiencias de los convertidores no sean demasiado elevadas. Esto es para todos los

casos, excepto para el acoplamiento directo, para el cual, se considera que se puede modificar

el banco de bateras para obtener la tensin de 12 V. requerida por el bus de tensin de esta

topologa en particular. Ya que de otro modo no se puede realizar el acoplamiento directo con

el electrolizador del Laboratorio de Hidrgeno.



5. DEFINICIONES DE RENDIMIENTOS Y PARMETROS DE EVALUACIN DE EFICIENCIA DE LA

PLANTA

Para estudiar las caractersticas de cada configuracin y compararlas se han definido los

siguientes rendimientos y parmetros de evaluacin:

Energa extrada de los paneles: Es la energa elctrica que somos capaces de extraer del

campo fotovoltaico durante el tiempo de simulacin.

Rendimiento directo: Es la relacin entre la energa que se vierte a la carga final (demanda) y

la energa volcada al sistema por los paneles fotovoltaicos. (Slo tiene sentido para algunos

modos de operacin)

Rendimiento del electrolizador: Es la relacin entre el caudal de hidrgeno producido y la

potencia que cuesta producirlo.

Rendimiento de la pila: Es la relacin entre la potencia elctrica aportada por la pila y el

caudal de hidrgeno consumido para producirla.

Debido a que el anlisis de las configuraciones es complejo, se han considerado los

siguientes parmetros para ayudar en la toma de decisiones y a la evaluacin de la eficiencia

de las distintas topologas:

Energa volcada a carga (kWh): Medida real de la energa elctrica consumida por la carga.

Hidrgeno producido (Nm3): Cantidad de hidrgeno producido durante la operacin.

SOC final (%): Estado final de carga de las bateras.



Energa Salvada:

La energa salvada se ha definido como: La energa acumulada menos la energa cedida en las

bateras, ms la energa destinada al electrolizador por la eficiencia del electrolizador.

Energa real salvada:

Denominamos Energa real salvada a la Energa Salvada, menos la energa en forma de

Hidrgeno consumida por la pila de combustible

Para analizar el funcionamiento correcto del sistema, es muy importante observar

tambin las distintas grficas de tensin del bus, corriente suministrada-consumida por los

distintos equipos, estado de carga de bateras en cada instante de tiempo, etc. y con este fin

se presenta un grupo de grficas en cada simulacin representativas del estado del sistema,

dado que existen multitud de variables.

Es importante tener en mente que la energa extrada de los paneles depender del punto

de operacin del sistema acoplado a los paneles y por tanto de todo el sistema en s, cuya

configuracin cambia en cada caso.

La energa demandada debe ser igual en todos los casos. Por tanto la diferencia en el

rendimiento directo debe deberse a la energa extrada o demandada, por la carga de los

paneles. En algunos casos ser mayor y en otros menor, ya que adems de la carga, en el

camino entre paneles y la carga pueden existir uno o ms convertidores que introduzcan

prdidas. Decir que el rendimiento directo slo tiene interpretacin en un caso, que es cuando

en el sistema no opera el electrolizador ni la pila de combustible.

El objetivo de este parmetro es tener un indicador de las prdidas de energa en el

camino de los paneles hasta la carga final durante uno de los tres modos de operacin.

El rendimiento directo adquiere valor como parmetro de anlisis en el modo de

operacin donde no se desva o fluye la energa hacia o desde ningn otro equipo (pila,

electrolizador) excepto bateras. Tambin es importante cuando se desva la energa hacia

electrolizador, pero es ms claro y significativo su valor cuando se contempla el

funcionamiento ms simple del sistema. Por tanto, el rendimiento directo, slo se debe tener

en cuenta, cuando no operan ni electrolizador ni pila de combustible.



6. EFICIENCIA DE LOS CONVERTIDORES.

En este apartado se definen las eficiencias de cada uno de los convertidores que se

consideran en el modelo. As mismo se contempla la eficiencia del inversor final y del

transformador.

La eficiencia de los convertidores es un tema de gran importancia y clave en el proyecto,

adems de problemtico, debido a que dichas eficiencias son difciles de conocer a priori. Para

este trabajo se han empleado valores para la eficiencia de los convertidores obtenidos de

publicaciones cientficas:

El rendimiento del inversor ms el transformador final para bajas tensiones (48 V) puede

alcanzar un mximo del 84 %. (H. Solmecke, 2000)

Denotar que este valor de eficiencia corresponde a inversores de potencias medias altas. Se

pueden encontrar inversores comerciales para los niveles de potencia que se ensayan en la

instalacin del laboratorio que presentan mejores valores de eficiencia. Sin embargo, con el

objetivo de que los resultados sean extrapolables a instalaciones reales, se emplean valores de

eficiencia correspondientes a estos niveles de potencia.

Las instalaciones de almacenamiento de energa son ms rentables para tamaos medios y

grandes (del orden de 15 KVA), por tanto para que resulte de inters el estudio, ha de ser

extrapolable y por ello se han de emplear valores de eficiencia para instalaciones medias-

grandes. (H. Solmecke, 2000)

Si se eleva la tensin a 240 V, puede alcanzar 92% (H. Solmecke, 2000), esto o implica usar 20

bateras en serie o un convertidor ms para las bateras (bidireccional). Perno no es el caso.

La eficiencia del convertidor del campo FV tambin aumenta si vuelca la tensin a nivel

alto, alcanzando 97 % (Woo-Young Choi, 2010).

La eficiencia del convertidor del campo FV con MPPT, desde los niveles de tensin del

campo a la tensin del bus de 48 V es aproximadamente de un 93 % (A. Garrigos, 2010),

se observa que tienen un mximo de 93 %, y un mnimo de 85 %, que en muchos casos se

da. Se va a tomar el valor ms favorable.

La eficiencia del convertidor del electrolizador ser del 93 % (A. Garrigos, 2010).

El convertidor de la pila tendr una eficiencia del 95 % (Yong Wanga, 2009).

Recordemos, que el objetivo del trabajo, es estudiar la idoneidad del uso de convertidores, y

en qu posicin usarlos, hallando as una determinada topologa de la instalacin que resulte

lo ms beneficiosa posible desde el punto de vista de la eficiencia.



Decir, que los valores de eficiencia tomados corresponden a convertidores de instalaciones

de i+d, es decir, normalmente sern unos valores de eficiencia muy generosos para los

convertidores. Este es un dato a tener en cuenta. No obstante, dichos valores se podrn

modificar en el modelo Matlab, pudiendo as, estudiar otras posibilidades.

En base a estas eficiencias y el voltaje del bus, se calcula la resistencia del electrolizador

en el modelo y la intensidad que da la pila, as como la resistencia de la carga final.

Los rendimientos de los convertidores se han tomado como constantes por las siguientes

razones:

El rendimiento de los mismos no oscila considerablemente a la potencia de salida

MAXIMA. Todos los convertidores de este estudio operan a potencia mxima y constante.

Obsrvese en la siguiente grfica, cmo cambia la eficiencia de un convertidor con la

tensin (o potencia) de operacin.

Figura 21. Evolucin de la eficiencia del convertidor en su rango de funcionamiento

Nuestra simulacin transcurrir para valores constantes de potencia de entrada y salida

de los convertidores, por tanto, no debe variar su rendimiento.

La eficiencia es prcticamente constante en la mayor parte del rango de funcionamiento.



7. MODOS DE FUNCIONAMIENTO

Se parte de que la planta busca en todo momento satisfacer la demanda de energa

elctrica. El sistema opera de tal modo que cuando sobre energa, es decir, la energa generada

a travs de los paneles supere a la demandada, almacenar la energa mediante los sistemas

de almacenamiento de que dispone y acorde a una estrategia de control que se describir ms

adelante. Esta energa almacenada en periodos de supervit, servir despus para abastecer a

la demanda de energa elctrica cuando nos encontremos que la generacin de energa

elctrica a travs de los paneles es inferior a la demandada.

Dado que el sistema pos dos medios para almacenar la energa: mediante el

almacenamiento qumico en bateras y mediante la transformacin en Hidrgeno. Nos

encontraremos que podemos dividir el funcionamiento del sistema en tres modos de

funcionamiento de acuerdo a los equipos que se encuentran operando.

Como se muestra en numerosos estudios (Dimitris Ipsakis, 2008) (Ulleberg, 1998), la

opcin ms recomendable es, en caso de exceso leve de energa, cargar inicialmente las

bateras, y cuando se encuentran cargadas entra en funcionamiento el electrolizador para

almacenar grandes cantidades de energa. Del mismo modo, cuando necesitamos energa de la

que tenemos almacenada usamos las bateras en primera instancia y a continuacin la pila de

combustible, cuando ya se ha llegado a un nivel de carga bajo de las bateras. Los niveles de

profundidad de descarga de la batera, dependen del objetivo de optimizacin de la estrategia

de control, es decir, si interesa por ejemplo evitar muchos arranques y paradas de los equipos

electrolizador y pila a costa de disminuir la vida de las bateras, o a la inversa.

As, los niveles del estado de carga de las bateras, definen los arranques y paradas de

los dems equipos, configurando lo que seran los distintos modos de funcionamiento de la

planta.

Los modos de funcionamiento basados en el estado de carga (SOC) de las bateras, se

establecen a travs de una conocida y consolidada estrategia de control de la literatura,

reconocida bajo el nombre de control por banda de histresis (Ulleberg, 1998). Cuyas regiones

de funcionamiento establecen los modos de operacin y seran las que se explican ms abajo:

5.1 MODO 1.

En este modo de funcionamiento se estudia la instalacin cuando slo se

encuentran almacenando o cediendo energa las bateras. El electrolizador y

pila de combustible no se encuentran funcionando. Para estudiar el sistema en

este modo de funcionamiento se parte como condicin inicial de simulacin de

un estado de carga de las bateras del 40%. En este nivel no se encienden, de

partida, ninguno de los equipos auxiliares (ni electrolizador, ni pila). Este modo

consiste en definitiva en suplir los defectos o excesos leves de energa ya que

solo intervienen las bateras.



5.2 MODO 2.

Este modo de funcionamiento se caracteriza porque se encuentra funcionando

el electrolizador para almacenar la energa sobrante, la batera ha llegado a un

nivel de carga muy elevado y para almacenar la gran cantidad de energa que

sobra se utiliza el electrolizador. La pila de combustible se encuentra

desactivada, lgicamente. Por tanto bajo este modo el sistema trata de

almacenar un gran exceso de energa que se est produciendo.

5.3 MODO 3.

En este ltimo modo, nos encontramos en la situacin en que hay dficit de

energa elctrica y con el objetivo de abastecer la demanda, se hace necesario

poner en funcionamiento la pila de combustible, la cual haciendo uso del

hidrgeno previamente almacenado, lo transformar en energa elctrica que

cubrir el dficit que las bateras tampoco han podido paliar. A este modo se

llega cuando las bateras han llegado a un nivel bajo de carga. En definitiva, en

este modo, la planta satisface la demanda de manera indirecta, usando la pila

de combustible.



8. ESTRATEGIA DE CONTROL

La estrategia de control para todas las topologas de instalacin de este trabajo, ser la

denominada en la literatura como estrategia de control por histresis. Dicha estrategia se

basa en controlar la planta a travs del estado de carga de las bateras, las cuales se emplean

como buffer intermedio que permite solventar los desajustes leves entre generacin de

electricidad y demanda de la misma.

La estrategia tiene como objetivo satisfacer la demanda de energa elctrica siempre

que sea posible, gestionando los excesos y defectos de energa mediante los sistemas de

almacenamiento de que disponga.

La gestin de dichos excesos y defectos se realiza de manera indirecta, en base al

estado de carga de las bateras.

El exceso o defecto de energa durante largos periodos de tiempo, se compensa

mediante el empleo del electrolizador y pila de combustible, cuyo sistema de control detecta

dichos defectos o excesos en base al estado de carga de las bateras.

La tcnica de introduccin de una banda de histresis en los lmites del estado de

carga de las bateras otorga gran flexibilidad de operacin en el electrolizador, pila de

combustible y las propias bateras. En este sentido, los componentes pueden ser protegidos de

altos e innecesarios factores de utilizacin y de la operacin a carga variable, reduciendo los

encendidos y apagados frecuentes, prolongando notablemente la vida de los equipos. (Dimitris

Ipsakis, 2008)

Podemos ver un esquema de esta estrategia en la siguiente figura:

Figura 22. Estrategia de control por banda de histresis. (Ulleberg, 2004)



De tal modo que: El electrolizador se enciende cuando el estado de carga de las

bateras se encuentra en un nivel alto, lo que significa que est sobrando tanta energa, que las

bateras estn casi al mximo de su capacidad. Una vez encendido haremos funcionar el

electrolizador hasta que el estado de carga de las bateras baje hasta cierto punto inferior al

punto de encendido del electrolizador.

La pila de combustible se enciende a su vez, cuando el estado de carga de las bateras,

en adelante: SOC (state of charge), est a un nivel bajo y se apaga cuando alcanza cierto nivel,

superior al nivel en el que se encendi la pila.

8.1. JUSTIFICACIN DE LOS NIVELES DE S.O.C. FCUP, FCLOW; EZUP, EZLOW

En primer lugar, hay que evitar siempre establecer unos niveles de SOC mnimos o

mximos demasiado drsticos (Dimitris Ipsakis, 2008) para evitar un uso excesivo de las

bateras que desemboque en una degradacin de las mismas. La vida de las bateras est

directamente ligada a la profundidad de descarga que sufren, a mayor profundidad de

descarga, menor ser el nmero de ciclos de recarga que resista la batera antes de ser

sustituida.

Sin embargo, unos niveles de SOC bajos, reducen el tiempo de operacin del

electrolizador y la pila de combustible. Resultando adems en que se mantienen unas mayores

reservas de hidrgeno en los depsitos.

De ah, que exista un ptimo entre el coste de reemplazar muy a menudo las bateras y

el coste evitado de remplazar la pila de combustible o el electrolizador. Es decir, se hace

necesario un estudio particularizado para la instalacin, para hallar los niveles de SOC ptimos.

Generalmente se usa una banda de histresis con los niveles de SOC optimizados

mediante tcnicas de anlisis de costes basados en variables del sistema. Las estrategias de

control ms avanzadas contienen una optimizacin de dichas bandas de histresis en lnea, a

medida que las variables de costes van cambiando.

Para tener una primera idea de los niveles de SOC, podemos citar algunos ejemplos

sobre plantas con mucha madurez, como los de una planta de este tipo en Finlandia, la cual

opera desde 1992, y ha establecido el encendido del electrolizador cuando las bateras

alcanzan el 92% y el paro del mismo, cuando baja el SOC del 85 %. Estos niveles se han

obtenido corroborados experimentalmente en la planta bajo test en los que se busca optimizar

la produccin de hidrgeno.

Otro de los investigadores ms reconocidos, el noruego Ullegerg, ha llevado a cabo

estudios similares para encontrar estos niveles de SOC adecuados. Sus pruebas se realizaron

sobre la planta PHOEBUS en Alemania. Y sus conclusiones fueron que:



Un anlisis de la estrategia de control bsica de la pila de combustible muestra que la

eficiencia global del sistema puede depender de manera significativa de los umbrales de SOC

FCUP Y FCLOW. De hecho, los valores ptimos dependen esencialmente de tres importantes

cuestiones:

1. El nivel aceptable ms bajo de SOC para la batera. Bateras como las tpicas de plomo

cido pueden alcanzar entre un 30 y un 40 % de profundidad de descarga.

Mientras la estrategia de control mantenga a las bateras menos tiempo por debajo de

estos valores, ms favorable ser para las mismas.

2. El nmero de veces de encendido-apagado de la pila de combustible, est

directamente relacionado con la media de tiempo de funcionamiento y viceversa. Es decir, una

vez que la pila de combustible se ha encendido, debera permanecer as durante un

determinado periodo de horas tal que las prdidas durante el encendido y apagado se

minimicen.

El tiempo necesario para encender la pila de combustible hasta operacin normal es

de una hora aproximadamente, hasta que se encuentra en condiciones nominales. Mientras

Estudio Sobre El Uso de Convertidores DC-DC en Instalaciones de Almacenamiento de Energía...

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