Una instalación de generación minieólica aislada permite realizar un suministro energético de baja potencia a partir de la energía capturada del viento, mediante una turbina y un generador eléctrico. Sin embargo, la irregularidad del viento provoca discontinuidad en el servicio e inestabilidad en la energía producida. La integración conjunta de sistemas de generación eólica junto con sistemas de almacenamiento de energía, permite reducir el impacto que causa la variabilidad del viento sobre la continuidad del servicio. El sistema de almacenamiento cede energía cuando el sistema de generación no logra suministrar la demanda de la carga, mientras que cuando la energía generada excede la demanda, el sistema de almacenamiento almacena el excedente. La presente Tesis Doctoral trata acerca de este tipo de sistemas híbridos abordando diferentes aspectos técnicos, con el fin de mejorar las prestaciones de los mismos. Se pretende de esta manera contribuir, mediante el avance de la tecnología aplicada a los sistemas de generación a partir de fuentes renovables, a una mayor proliferación de estos sistemas de generación, lo que a su vez redundará en la reducción del impacto medioambiental que los sistemas de generación de energía a partir de fuentes fósiles producen. El sistema planteado consta de un sistema de almacenamiento dual, basado en la utilización de baterías y supercondensadores. Esta dualidad ofrece la posibilidad conocida de realizar una gestión independiente de las dinámicas rápidas y lentas en el sistema. Pero además permite plantear las diferentes hipótesis de partida de la investigación. Mediante el estudio de las diferentes técnicas de control de los convertidores, se espera contribuir a la mejora de las características eléctricas del sistema, mediante la reducción del rizado del bus de continua. Por otra parte, la capacidad de almacenamiento del sistema permitirá contribuir a la estabilidad del conjunto actuando como elemento regulador de carga, y a la seguridad del aerogenerador, actuando como freno eléctrico en ayuda del breaker del sistema en situaciones de viento turbulento o en fuertes rachas. El sistema propuesto en esta Tesis ha sido validado mediante simulaciones. El emulador de la turbina eólica se comporta de forma cercana a la realidad ya que el modelo de la turbina se ha obtenido a partir de un método experimental aplicado en turbinas reales. Los resultados obtenidos demuestran el buen funcionamiento del sistema desarrollado y contrastan las hipótesis de partida de la investigación. / A standalone small wind turbine installation allows a low power energy supply to be made from the energy captured from the wind, by means of a turbine and an electric generator. However, the irregularity of the wind causes discontinuity in the service and instability in the energy produced. The joint integration of wind generation systems together with energy storage systems reduces the impact of wind variability on the continuity of the service. The storage system yields energy when the generation system fails to supply the demand for the load, while when the generated energy exceeds the demand, the storage system stores the excess. This Doctoral Thesis deals with this type of hybrid systems addressing different technical aspects, in order to improve the performance of them. It is intended in this way to contribute, through the advancement of the technology applied to the generation systems from renewable sources, to a greater proliferation of these generation systems, which in turn will result in the reduction of the environmental impact that the systems of power generation from fossil sources produce. The proposed system consists of a dual storage system, based on the use of batteries and ultracapacitors. This duality offers the known possibility of performing an independent management of the fast and slow dynamics in the system. But it also allows to raise the different starting hypotheses of the investigation. Through the study of the different control techniques of the converters, it is expected to contribute to the improvement of the electrical characteristics of the system, by reducing the DC bus ripple. On the other hand, the storage capacity of the system will contribute to the stability of the assembly acting as a load regulating element, and to the safety of the wind turbine, acting as an electric brake in aid of the system breaker in turbulent wind situations or in strong gusts. The system proposed in this Thesis has been validated through simulations. The wind turbine emulator behaves in a way that is close to reality since the turbine model has been obtained from an experimental method applied to real turbines. The results obtained demonstrate satisfactory performance of the developed system and contrast the starting hypothesis of the investigation. / Una instal·lació de generació minieòlica aïllada permet realitzar un subministrament energètic de baixa potència a partir de l'energia capturada del vent, mitjançant una turbina i un generador elèctric. No obstant això, la irregularitat del vent provoca discontinuïtat en el servei i inestabilitat en l'energia produïda. La integració conjunta de sistemes de generació eòlica juntament amb sistemes d'emmagatzematge d'energia, permet reduir l'impacte que sobre la continuïtat del servei causa la variabilitat del vent. El sistema d'emmagatzematge cedeix energia quan el sistema de generació no aconsegueix subministrar la demanda de la càrrega, mentre que quan l'energia generada excedeix la demanda, el sistema d'emmagatzematge emmagatzema l'excedent. La present tesi doctoral tracta sobre aquest tipus de sistemes híbrids abordant diferents aspectes tècnics, per tal de millorar les prestacions dels mateixos. Es pretén d'aquesta manera contribuir, mitjançant l'avanç de la tecnologia aplicada als sistemes de generació a partir de fonts renovables, a una major proliferació d'aquests sistemes de generació, el que al seu torn redundarà en la reducció de l'impacte mediambiental que els sistemes de generació d'energia a partir de fonts fòssils produeixen. El sistema plantejat consta d'un sistema d'emmagatzematge dual, basat en la utilització de bateries i supercondesadores. Aquesta dualitat ofereix la possibilitat coneguda de realitzar una gestió independent de les dinàmiques ràpides i lentes en el sistema. Però a més permet plantejar les diferents hipòtesis de partida de la investigació. Mitjançant l'estudi de les diferents tècniques de control dels convertidors, s'espera contribuir a la millora de les característiques elèctriques del sistema, mitjançant la reducció de l'arrissat del bus de contínua. D'altra banda, la capacitat d'emmagatzematge del sistema permetrà contribuir a l'estabilitat del conjunt actuant com a element regulador de càrrega, i la seguretat de l'aerogenerador, actuant com a fre elèctric en ajuda del breaker del sistema en situacions de vent turbulent o en fortes ratxes. El sistema proposat en aquesta Tesi ha estat validat mitjançant simulacions. L'emulador de la turbina eòlica es comporta de forma propera a la realitat ja que el model de la turbina s'ha obtingut a partir d'un mètode experimental aplicat en turbines reals. Els resultats obtinguts demostren el bon funcionament del sistema desenvolupat i contrasten les hipòtesis de partida de la investigació. / Twizere Bakunda, JD. (2018). "Aportaciones a la mejora de los sistemas de control electrónico aplicados en la generación minieólica aislada mediante la utilización de técnicas de almacenamiento energético" [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107330

En esta tesis se analizan y proponen estrategias de control flexibles y robustas para el control de sistemas de conversión de energía renovables en el contexto de la generación distribuida. Se trabaja principalmente con la conversión de energía eólica y solar fotovoltaica, como así también con un sistema de almacenamiento y recuperación de energía. Se hace hincapié en el control de la potencia de la micro fuente, de forma tal de poder brindar las características requeridas para su conexión a redes de generación distribuida o micro redes. El análisis de estos sistemas de potencia está fuera de los alcances de este trabajo. En el caso de la energía fotovoltaica se realizan propuestas para la maximización de la extracción del recurso y el control activo de la potencia entregada por la micro fuente. Se realiza el análisis de estabilidad para los convertidores dc/dc más utilizados en este tipo de aplicaciones. También se extienden estos conceptos al control del convertidor electrónico de micro fuentes basadas en pilas de combustible. En el caso del control del sistema de almacenamiento y recuperación de energía, se propone una estrategia capaz de iniciar el sistema, funcionar intercambiando potencia con la red, realizar la protección del dispositivo de almacenamiento y apagado del sistema de forma automática. Se realiza el análisis de estabilidad de todos los modos de funcionamiento y la combinación de estos modos para lograr una operación global estable. En el caso de la energía eólica se investiga la operación de la turbina en todo el rango de velocidades de viento, como así también la extensión de la región de operación para realizar un control activo de la potencia de salida. El control activo de la potencia de salida de la turbina permite la incorporación de nuevos modos de funcionamiento como la generación de potencia con reserva para la contribución a la estabilidad de frecuencia. El control de las interfaces electrónicas se aborda en el marco del control por modo deslizante, mientras que para el control de turbinas eólicas se realizan propuestas en el marco de control robusto ($H_\infty$) y el control de parámetros lineales variantes (LPV). Para los sistemas fotovoltaico, con pila de combustible y de almacenamiento de energía se presentan resultados de simulación y experimentales. Para el caso de las turbinas eólicas, se presentan resultados de simulación con un modelo de alto orden (FAST) desarrollado por el Laboratorio de Energías Renovables de Estados Unidos (NREL). Los resultados obtenidos permitieron verificar la viabilidad y desempeño de las estrategias propuestas predichas por el análisis teórico.

En este artículo se expondrá la implementación de un sistema de generación de energía renovable en una estación del tren eléctrico de Lima, Perú, basado en la tecnología piezoeléctrica. Mediante la implementación de las baldosas piezoeléctricas PAVEGEN se ha logrado aprovechar la energía cinética del caminar de más de 29,000 personas que transitan diariamente por una de sus estaciones, logrando generar ahorros energéticos entre 451 MWh y 1000 MWh al año, los cuales están valorizados en S/ 132,000 y S/ 322,000 respectivamente. De esta forma, se logró reducir los costos energéticos en una proporción estimada entre un 32,82% y un 80.28%; consecuentemente, se redujo el déficit de 27 millones de soles anuales subvencionados por el Estado Peruano para mantener operativo este medio de transporte. Se ha contemplado el diseño arquitectónico, la modelación y el dimensionamiento, los requerimientos y procedimientos civiles, la importación y los costos de implementación. La inversión total de este proyecto tiene un periodo de recuperación menor a dos años. Por lo tanto, puede ser el punto de partida para masificar proyectos de este ámbito en el Perú y Latinoamérica, ya que es auto sostenible e innovador. / This research project presents the implementation of a renewable energy generation system based on piezo technology at an electric train station located in Lima, Peru. By implementing the piezoelectric tiles PAVEGEN, we have managed to harness the kinetic energy from the walk of more than 29,000 people that pass daily through one of its stations, achieving power savings between 451 MWh and 1000 MWh per year, which are valued in S/ 132,00 and S/ 322,000 respectively. Thus, it was possible to reduce the energetic cost in proportion between 32.82% and 80.28%; consequently, the deficit of 27 million Soles, which are annually subsidized by the Peruvian government to keep on the operation of this transport, was reduced. This project has included architectural design, modeling and dimensioning, requirements and civil procedures, import and implementation costs. The total investment of this project has a recovery period smaller than two years. Therefore, it can be the starting point to promote projects in this field in Peru and Latin America, as it is sustainable and innovative. / Tesis

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La presente tesis tiene como principal sustento, la urgencia de implementar medidas sostenibles en instituciones educativas, las cuales son edificaciones con una alta demanda de recursos tanto hídricos como energéticos. Debido a ello, es relevante realizar cambios y adaptar estas edificaciones existentes para mejorar su desempeño ambiental, sobre todo para mitigar los efectos del calentamiento global. En este contexto, para la sección secundaria del colegio particular Salesiano “San Francisco de Sales” se analiza algunos aspectos de su sostenibilidad durante el año 2019 en base a estándares ambientales de edificaciones y proponer medidas para mejorar el desempeño sostenible. El análisis se centra en tres factores principales: la energía eléctrica, los recursos hídricos y la interacción infraestructura - usuario. La metodología consiste en la recolección de datos relacionados al consumo de luz, agua y diversos parámetros ambientales relacionados a la ventilación y al confort térmico de las aulas del colegio. A partir de la información recolectada, se proponen alternativas de mejora que contribuyen a la reducción del consumo de luz y agua, así como a una mayor ventilación y confort. Estas alternativas consisten en implementar un sistema de paneles fotovoltaicos, que abastecen un 30% de la demanda energética. Además, se plantea la instalación de una planta de tratamiento de aguas grises y urinarios secos, lo que genera un ahorro de 46.2% del consumo hídrico. Finalmente, se propone reducir en un 35% el aforo de usuarios en las aulas con el objetivo de garantizar una adecuada ventilación y confort acorde a estándares internacionales. En conclusión, es posible implementar sistemas de energía renovable y ahorro de agua en una institución educativa privada en Lima, así como regular el aforo en las aulas para optimizar la ventilación y confort. En ese sentido, otras instituciones educativas pueden adoptar medidas similares a las expuestas para mejorar su desempeño sostenible.

La contaminación ambiental que produce la generación de energía a partir de combustibles fósiles, el incremento de los costos de energía para las empresas y la indisponibilidad de energía debido a las restricciones geográficas que suponen limitaciones para algunos sectores como el agroindustrial y pecuario; son problemáticas vigentes. Todos estos inconvenientes fueron confirmados a través de entrevistas que revelaron una oportunidad de negocio para la creación de una compañía que brinde opciones de generación de energía mediante fuentes renovables, como son la eólica y solar; y de esta forma contribuir con el ahorro de costos para las compañías y lograr que sus procesos de expansión sean viables. La propuesta de servicios contempla la evaluación, diagnóstico, propuesta técnica y económica, suministro de equipos e implementación de las soluciones y, a diferencia de las alternativas vigentes del mercado, la empresa se desempeñará como una intermediaria entre los clientes y las entidades de financiamiento especializadas en este tipo de inversión, para que puedan acceder a mejores tasas. El objetivo en 05 años es impactar en 213 empresas, así como reducir 2,315 toneladas de CO2eq, cifras bastantes viables de acuerdo al estudio de mercado y feedback recibido de los potenciales clientes. De acuerdo con el análisis financiero realizado se demuestra la rentabilidad de los servicios brindados pues genera un VAN de S/. 1’815,284.95 para el periodo de 5 años analizado, con una TIR de 86.50%. Por lo tanto, este proyecto cuenta con viabilidad y factibilidad además fomenta la disminución de la contaminación ambiental que generan las empresas alineado al ODS 7, que busca “Garantizar el acceso a una energía asequible, segura, sostenible y moderna”. En relación a este último enfoque el proyecto registra un VAN Social valorizado en S/.3,110,452.43, el cual cuantifica el aporte de la propuesta hacia la sociedad. / The environmental pollution produced by energy generation from fossil fuels, energy cost increase for companies and the unavailability of energy due to geographical restrictions that pose limitations for some sectors such as Agroindustrial and livestock; are currently problems. These needs were confirmed through interviews that revealed a business opportunity to create a company that provides generation options through renewable energies, such as wind and solar; and in this way contribute to cost savings for companies and make their expansion processes viable. The service proposal contemplates the assessment, diagnostic, technical and economic proposals, supply of equipment and implementation of solutions and the difference from the current market options, is that the company will act as an intermediary between clients and financing entities specialized in this type of investment, so that they can access to better rates. The goal in 05 years is to impact 213 companies, as well as reduce 2,315 tons of CO2eq, quite viable targets according to the market study and feedback received from potential clients. According to the financial analysis carried out, the profitability of the services provided is demonstrated since it generates an NPV of S/. 1,815,284.95 for the 5-year period analyzed, with an IRR of 86.50%. Therefore, this project has viability and feasibility and promotes the reduction of environmental pollution generated by companies aligned with SDG 7, which seeks to “Guarantee access to affordable, safe, sustainable and modern energy.” In relation to this last approach, the project registers a Social NPV valued at S/.3,110,452.43, which quantifies the contribution of the proposal to society.

La creciente tendencia de utilizar vehículos eléctricos, conlleva a reemplazar los grifos de vehículos de combustibles fósiles por electrolineras. Una electrolinera puede utilizar una fuente de energía renovable (ej. Solar o eólico) para cargar un vehículo; además, el excedente de energía podría ser suministrado a la red eléctrica trifásica, haciendo uso de un convertidor electrónico dc/ac (o inversor). Sin embargo, conectar un convertidor tradicional reduce la estabilidad relativa de la frecuencia eléctrica de la red, porque no ofrece oposición ante un cambio de frecuencia, tal como lo hace un generador síncrono debido a la inercia de su rotor. Las variaciones de frecuencia son producto del desequilibrio entre la potencia generada y las cargas en la red. Si la frecuencia se aleja mucho de su valor nominal o si la rapidez de cambio de la frecuencia es elevada, puede afectar el sincronismo de los generadores que alimentan la red. Por lo tanto, se procede a cortes de energía en sectores de la red, para evitar que la inestabilidad se propague en otros sectores de la red, lo cual se traduce en grandes pérdidas económicas. La presente tesis busca establecer una estrategia de control para que un convertidor tradicional permita la conexión de una fuente de energía renovable a la red eléctrica, con el objetivo de mejorar la estabilidad de la red, mediante el suministro de inercia virtual (o emulación de inercia). La estrategia de control no requiere la utilización de elementos adicionales complejos o costosos en el convertidor o la modificación de este, lo cual constituye una solución económica y sin complejidad constructiva. Al final de la tesis se realiza simulaciones en Matlab para probar los diseños de los lazos de control y se valida resultados en PSIM (simulador de electrónica de potencia), logrando un convertidor con inercia virtual, que puede suministrar a la red, igual o mejor inercia que un generador síncrono hidroeléctrico de grandes dimensiones.

As the fight against anthropogenic global warming increases, photovoltaic (PV) systems, which are a type of renewable energy, are increasingly being considered. In order to use PV systems, it is necessary to develop methods to optimize their configuration, that is, the optimal number of PV modules and inverters. The objectives are to examine the optimization of PVs subject to not only the operational constraints but also the failure and repair events of PV inverters up to 100 kW, while minimizing the effective levelized cost of energy. To achieve this, using Markov modelling, a new energy price model that considers the current prices of the PV inverters is developed as part of a new optimization framework. A case study considering six real PV inverters is developed to show the effectiveness of the framework. In addition, real data from a reference PV station in Germany is used to calculate the average hours per day that a panel generates its rated power to consider the geographical location, temperature and number of sunny days in the given region. Unlike previous work, local and global optimal solutions are found using PV inverters in the range of 15 kW to 100 kW. Therefore, the new findings of this study will be considered in the future, for example, when considering the failure and repair events of PV modules. / Im Rahmen des Kampfes gegen die anthropogene Erderwärmung werden zunehmend Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) in Betracht gezogen, welche zu den erneuerbaren Energien zählen. Um PV-Anlagen nutzen zu können, müssen Methoden zur Optimierung ihrer Konfiguration, d. h. der optimalen Anzahl von PV-Modulen und Wechselrichtern, entwickelt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, die Optimierung von PV-Anlagen zu untersuchen, wobei nicht nur die betrieblichen Randbedingungen, sondern auch die Ausfall- und Reparaturereignisse von PV-Wechselrichtern bis zu 100 kW berücksichtigt werden, um dabei die effektiven Stromgestehungskosten zu minimieren. Um dies zu erreichen, wird ein neues Energiepreismodell entwickelt, das die aktuellen Preise der PV-Wechselrichter, sowie die Markoff-Modellierung als Teil eines neuen Optimierungsrahmens berücksichtigt. Anhand einer Fallstudie unter Berücksichtigung von sechs realen PV-Wechselrichtern wird die Wirksamkeit des Rahmens aufgezeigt. Außerdem werden reale Daten einer Referenz-PV-Anlage in Deutschland verwendet, um die durchschnittlichen Stunden pro Tag zu berechnen, in denen ein Modul seine Nennleistung erzeugt. Dazu werden die geografische Lage, die Temperatur und die Anzahl der Sonnentage in der jeweiligen Region berücksichtigt. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten werden lokal und global optimale Lösungen mit PV-Wechselrichtern im Bereich von 15 kW bis 100 kW gefunden. Daher können die neuen Erkenntnisse dieser Studie in Zukunft beispielsweise bei der Betrachtung von Ausfall- und Reparaturereignissen von PV-Modulen berücksichtigt werden. / Ante la creciente lucha contra el calentamiento global antropogénico, los sistemas fotovoltaicos, que son un tipo de energía renovable, están siendo cada vez más considerados. Para usar sistemas fotovoltaicos, es necesario desarrollar métodos para optimizar su configuración, es decir, el número óptimo de módulos e inversores fotovoltaicos. Los objetivos de esta tesis son examinar la optimización de los sistemas fotovoltaicos sujetos, no sólo a las restricciones operativas, sino también a los eventos de falla y reparación de los inversores fotovoltaicos de hasta 100 kW, mientras se minimiza el costo efectivo nivelado de la energía. Para lograrlo, empleando el modelo de Márkov, se desarrolla un nuevo modelo del precio de la energía que considera los costos actuales de los inversores fotovoltaicos como parte de un nuevo esquema de optimización. Se desarrolla un caso de estudio considerando seis inversores fotovoltaicos reales para mostrar la efectividad del esquema. Asimismo, se utilizan datos reales de una estación fotovoltaica de referencia en Alemania para calcular el promedio de horas al día en que un panel genera su potencia nominal teniendo en cuenta la ubicación geográfica, la temperatura y el número de días soleados de la región. A diferencia de trabajos anteriores, se encuentran soluciones locales y globales óptimas empleando inversores fotovoltaicos en el rango de 15 kW a 100 kW. Por lo tanto, los nuevos hallazgos de este estudio se tomarán en cuenta en el futuro, por ejemplo, cuando se contemplen los eventos de falla y reparación de los módulos fotovoltaicos.

La presente tesis se enmarca en un proceso de investigación y desarrollo con una visión de futuro para el sector energético, y que usa a la prospectiva estratégica como un instrumento para sentar las bases de las decisiones y acciones operativas que los principales actores deben seguir como parte del plan estratégico dentro de la industria de las energías renovables de cara a las próximas décadas de desarrollo del sector. La prospectiva como tal es una disciplina que puede ser definida como un acto imaginativo y de creación, que luego se convierte en un acto de toma de conciencia y en una reflexión sobre el contexto actual, que posteriormente busca la convergencia de las expectativas, deseos e intereses de la sociedad y organizaciones, a fin de alcanzar ese porvenir que se perfila como deseable. En el caso de las organizaciones, el estudio del futuro mediante la prospectiva es un tema de actualidad que las ayudan a prepararse para afrontar el futuro que viene o para construir el suyo propio, que es el fin objetivo del enfoque voluntarista de esta disciplina. Como se puede notar, la importancia económica de todas las actividades vinculadas con la energía traspasa los límites del propio sector respecto a las demás actividades sectoriales, convirtiéndose así en un elemento determinante para la competitividad de la economía. Es evidente que los efectos del cambio climático y demás factores en distinta escala jerárquica están motivando que los países de todo el mundo cambien la forma en la cual generan energía eléctrica, pasando de fuentes contaminantes tradicionales, como el carbón y el petróleo, a fuentes limpias basadas en recursos renovables. Esta investigación utilizará una metodología de enfoque mixto, basada en un conjunto ordenado de herramientas de prospectiva, y que a través de una elaborada guía de procedimientos y etapas se podrán construir diferentes escenarios futuros para el sector energético, teniendo como eje principal el uso de las energías renovables para afrontar la demanda energética al año 2050. El resultado de la metodología entregará un conjunto de escenarios de mayor probabilidad de ocurrencia, como efecto de la interacción de diferentes hipótesis formuladas durante el procedimiento prospectivo, para luego definir el mejor escenario que se desea alcanzar. Finalmente, combinando el pensamiento prospectivo con el pensamiento estratégico, se buscará orientar a la toma de decisiones y la ejecución de acciones operativas dentro de la industria de las energías renovables, a través de hitos temporales alcanzables que permitirán obtener el escenario meta.