Revista Técnica “energía”
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Metodología de Diseño de Sistemas Aislados de Energía Solar Fotovoltaica para Áreas Rurales en Ecuador
Get PDFRenewable technologies are a modern, clean form of energy with a very low environmental impact. They can become a viable option for energy generation, especially in rural areas of Ecuador, where the scarce access to electricity service limits the development possibilities of these areas. Solar energy is the resource used by off grid photovoltaic generation systems, which are used exclusively in rural areas because the installation of the electrical grid is costly or technically complex.
In the Matlab/Simulink environment, off grid photovoltaic systems have been designed, which are composed of an array of photovoltaic modules, charge controllers, storage systems and single-phase inverters that together will allow knowing the behavior of electric power generation through solar photovoltaic energy. In addition, a maximum power point tracking (MPPT) algorithm was developed to obtain the peak power of the photovoltaic array and a discrete integral proportional control was incorporated for the charging and discharging of the batteries. Finally, a sizing tool was designed and developed through Excel Macros and Visual Basic, which facilitated the input of the different parameters and the obtaining of the results for the implementation of the photovoltaic systems.Las tecnologías renovables son una forma de energía moderna, limpia y de muy bajo impacto ambiental. Las mismas pueden convertirse en una opción viable para la generación de energía en especial para zonas rurales del Ecuador, en donde el escaso acceso al servicio eléctrico limita las posibilidades de desarrollo de estas zonas. La energía solar es el recurso utilizado por los sistemas de generación fotovoltaicos aislados, los mismos que son de uso exclusivo para zonas rurales debido a que la instalación de la red eléctrica es costosa o técnicamente compleja.
En el entorno de Matlab/Simulink se han diseñado sistemas fotovoltaicos aislados que están compuestos por un arreglo de módulos fotovoltaicos, reguladores de carga, sistemas de almacenamiento e inversores monofásicos que en conjunto permitirán conocer el comportamiento de la generación de energía eléctrica a través de energía solar fotovoltaica. Además, se desarrolló un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para obtener el pico de potencia del arreglo fotovoltaico y se incorporó un control proporcional integral discreto para la carga y descarga de las baterías. Por consiguiente, se diseñó y desarrollo una herramienta de dimensionamiento a través de Macros y Visual Basic de Excel, la cual facilitó el ingreso de los diferentes parámetros y la obtención de los resultados para la implementación de los sistemas fotovoltaico
Estimación del Margen de Estabilidad de Voltaje Utilizando Herramientas de Aprendizaje Automático
Get PDFReal-time voltage stability assessment, via conventional methods, is a difficult task due to the required large amount of information, high execution times and computational cost. Based on these limitations, this technical work proposes a method for the estimation of the voltage stability margin through the application of artificial intelligence algorithms. For this purpose, several operation scenarios are first generated via Monte Carlo simulations, considering the load variability and the n-1 security criterion. Afterwards, the voltage stability margin of PV curves is determined for each scenario to obtain a database. This information allows structuring a data matrix for training an artificial neural network and a support vector machine, in its regression version, to predict the voltage stability margin, capable of being used in real time. The performance of the prediction tools is evaluated through the mean square error and the coefficient of determination. The proposed methodology is applied to the IEEE 14 bus test system, showing so promising results.La evaluación de la estabilidad de voltaje en tiempo real, mediante métodos convencionales, es una tarea difícil debido a la gran cantidad de información, los elevados tiempos de ejecución y el esfuerzo computacional requerido. Partiendo de estas limitaciones, este trabajo técnico propone un método para la estimación del margen de estabilidad de voltaje a través de la aplicación de algoritmos de inteligencia artificial. Para ello, primero se generan varios escenarios operativos mediante simulaciones Monte Carlo, considerando la variabilidad de la carga y el criterio de seguridad n-1. Posteriormente, se determina, para cada escenario operativo, el margen de estabilidad de voltaje de las curvas PV con la finalidad de obtener una base de datos. Esta información permite estructurar una matriz de datos para entrenar una red neuronal artificial y una máquina vectorial de soporte, en su versión de regresión, para predecir el margen de estabilidad de voltaje, capaz de ser utilizada en tiempo real. El desempeño de las herramientas de predicción es evaluado a través del error cuadrático medio y del coeficiente de determinación. La metodología propuesta se aplica al sistema de prueba IEEE 14 bus, mostrando resultados prometedores
Esquema Automático de Alivio de Carga para Sistemas Eléctricos que sirven a Plataformas Petroleras
Get PDFThis document presents a methodology for the design of an Automatic Load Shedding scheme (ALS) for electrical systems that serve oil extraction facilities. The oil field, throughout its operation life, has experienced problems in its electrical generation system, which has caused its total collapse due to low frequency. The electrical system is modeled in ETAP simulation software, including the dynamics of the generators and their control systems (automatic voltage regulators and speed regulators) considering typical parameters, the models are validated through measurements obtained from the SCADA system. Through time domain simulations, the evolution of the frequency in the face of generation loss is obtained for various operating scenarios; these scenarios are classified based on the rate of change of frequency (ROCOF). A list of load priorities for disconnection is generated. Finally, an adaptive EAC and EAC based on fixed frequency and ROCOF are proposed, whose performance is compared through dynamic simulations.Este documento presenta una metodología para el diseño de un Esquema de Alivio de Carga (EAC) para sistemas eléctricos que sirve a facilidades de extracción de petrolero. El campo petrolero, a lo largo de su operación, ha experimentado problemas en su sistema de generación eléctrica, lo cual ha ocasionado colapsos totales por baja frecuencia. El sistema eléctrico del campo es modelado en software de simulación ETAP, incluyendo la dinámica de los generadores y sus sistemas de control (reguladores automáticos de voltaje y reguladores de velocidad) considerando valores típicos y validando los modelos en base a mediciones obtenidas del sistema SCADA. A través de simulaciones en el dominio del tiempo, se obtiene la evolución de la frecuencia ante la perdida de generación para varios escenarios operativos; estos escenarios son clasificados en base a la tasa de cambio de la frecuencia (ROCOF). Se genera una lista de prioridad cargas para su desconexión. Finalmente, se proponen un EAC adaptativo y EAC de frecuencia fija y ROCOF, cuyo desempeño es comparado a través de simulaciones dinámicas
Evaluación de Redes de Tuberías con Configuración Flexible para el Transporte de Hidrocarburo
Get PDFPipelines are currently the main method of transporting fluids from one place to another within an industrial plant. The present investigation studies the piping configuration of a hydrocarbon transport pump system. An investigation was carried out to identify the different loads present in pump system designs due to self-weight and thermal operating effects to reduce the stresses and displacements acting on the piping, guaranteeing its mechanical integrity and the safety of equipment and plant personnel. The model development and analysis has performed in the specialized software Bently AutoPIPE under static conditions; the operating temperature and pressure data are 100 °F and 320 psi, respectively. For the analysis, two configuration models were used pipes with rigid and flexible system, allowing to compare results and validate that the stresses in pipes and pumps nozzles are within the allowable loads according to ASME B31.3 and API 610 standards. Based on the analysis results, the sustained and thermal stresses are 16.3 and 14.4 ksi, values that represent approximately 75 % of the maximum stress of the system.En la actualidad las tuberías son el principal método de transporte de fluidos de un lugar a otro, dentro de una planta industrial. La presente investigación estudia la configuración de tuberías de un sistema de bombas de transporte de hidrocarburo. Se realizó una investigación para identificar las diferentes cargas presentes en diseños de los sistemas de bombas, debido a efectos de peso propio y térmicos operativos, con el fin de reducir los esfuerzos, desplazamientos que actúan en las tuberías, garantizando su integridad mecánica como la seguridad de equipos y personal de planta. El desarrollo del modelo y análisis se realizó en el software especializado Bently AutoPIPE en condiciones estáticas, los datos operativos de temperatura y presión son 100 °F y 320 psi respectivamente. Para el análisis, se emplearon dos modelos de configuración; tuberías con sistema rígido y flexible, permitiendo comparar resultados y validar que los esfuerzos en tuberías y boquillas de bombas se encuentren dentro de las cargas admisibles de acuerdo con las normas ASME B31.3 y API 610. Con base en los resultados del análisis, los esfuerzos en sostenido y térmicos son 16.3 y 14.4 ksi, valores que representan aproximadamente el 75 % del esfuerzo máximo del sistem
Propuesta de una Metodología para la Focalización del Subsidio Eléctrico “Tarifa De La Dignidad” en Usuarios Residenciales de las Empresas Eléctricas del Ecuador
Get PDFThis paper includes a proposal for targeting the dignity tariff subsidy on residential users of electric power distribution companies in Ecuador. For targeting, the grouping data technique is used based on technical, geographical, and socioeconomic user’s data.
This paper describes the process necessary to collect, clean, and process the data for targeting the subsidy. Then, this paper shows the process to match the data and consolidate it into a single database of residential users. In a next phase, this paper defines a poverty equation that considers, in a weighted way, the technical and socioeconomic characteristics of the users and poverty equation allows calculating the poverty level of users. Then, the way to group users according to their poverty level is described, as well as the way to establish the best number of groups to be generated among users. Finally, this paper describes how to define which users and user groups should or should not receive the subsidy.
This paper has been applied to the residential users of the Quito District Metropolitan and, for these users, the results of the targeting are showed. For the study case the estimated savings that the State would receive for including the targeting methodology are shown too.El artículo presenta una propuesta para la focalización del subsidio tarifa de la dignidad en los usuarios residenciales de las empresas de distribución de energía eléctrica del Ecuador. Para la focalización se utiliza la técnica de agrupación de datos considerando las características técnicas, geográficas y socioeconómicas de los usuarios.
El artículo describe el proceso necesario para recopilar, depurar y procesar los datos a fin de que puedan ser utilizados para la focalización del subsidio. Luego, se detalla el proceso necesario para emparejar los datos y consolidarlos en una sola base de datos de usuarios residenciales. En una siguiente fase, se define una ecuación de pobreza que considera, de manera ponderada, las características técnicas y socioeconómicas de los usuarios y que permite calcular su nivel de pobreza individual. Luego, se describe la forma de agrupar a los usuarios según su nivel de pobreza, así como la manera de establecer la mejor cantidad de grupos que se deben generar de entre los usuarios. Finalmente, el artículo presenta una propuesta metodológica general para focalizar el subsidio tarifa de la dignidad en el Ecuador.
El presente artículo presenta los resultados de la focalización del subsidio tarifa de la dignidad aplicada a los usuarios residenciales del Distrito Metropolitano de Quito
Evaluación del Comportamiento de Motores a Gasolina Mediante Simulación del Flujo de Aire a Través del Cuerpo de Aceleración
Get PDFThis investigation analyzed the throttle body of a 1.1 L small gasoline engine. The electronic control module receives the information from sensors, pressure, temperature, and throttle valve position, to do calculations, determining the amount of necessary fuel injection to produce combustion. The objective of this work was to increase the airflow that enters to the intake manifold, by using computational fluid dynamics (CFD). Two butterfly valve models were analyzed, the original one, where the internal behavior of the throttle body was studied, in pressures and flows. While the second one was a modified model, with a cut in the axis of rotation, to propose an increase in the air flow to the intake manifold. Four simulations were carried out, with a relative opening of 0, 20, 40 and 78 %, obtaining average pressure values between 31.35 to 70.05 kPa, besides average flows at the outlet of the intake body of 6.72 to 58.71 g·m-1 as the throttle valve opens. For data validation, the obtained outlet pressures with the absolute pressure sensor of the intake manifold were compared to the simulation values. Without having experimental data for the mass flow rate, the analysis was developed between the two simulated models, with an average flow rate of 28.22 g·m-1 and an increase of 9% in mass flow rate in the modified body. As the throttle opening increases, the pressure values become similar.En esta investigación, se analizó el cuerpo de aceleración de un motor pequeño a gasolina, de 1.1 L. El módulo de control electrónico recibe la información de los sensores de presión, temperatura y posición de la válvula de mariposa de aceleración, para efectuar los cálculos que determinan la cantidad de inyección de combustible necesario para producir la combustión. El objetivo de este trabajo fue aumentar el flujo de aire que ingresa al colector de admisión, utilizando dinámica de fluidos computacionales (CFD, por sus siglas en inglés). Se analizó dos modelos de válvula de mariposa, el original, en donde se estudió el comportamiento interno del cuerpo de aceleración, tanto en presiones como flujos. Mientras que, el segundo modelo modificado, con un corte en el eje de rotación, en donde se propone un aumento en el flujo de aire hacia el colector de admisión. Se realizaron cuatro simulaciones, con apertura relativa de 0, 20, 40 y 78 %, obteniendo valores de presiones promedio entre 31.35 a 70.05 kPa, además de flujos promedios a la salida del cuerpo de admisión de 6.72 a 58.71 g·m-1 a medida que se abre la válvula de mariposa de aceleración. Para la validación de datos, se comparó las presiones de salida obtenida con el sensor de presión absoluta del colector de admisión respecto a los valores de las simulaciones. Sin disponer de un dato experimental para el flujo másico, se realizó el análisis entre los dos modelos simulados, con una media de flujo de 28.22 g·m-1 y un aumento de flujo másico del 9 % en el cuerpo modificado. A medida que aumenta la apertura de la mariposa, los valores de presión se asemejan
Implementación de Hardware In The Loop para el Análisis de Escenarios de Control de Frecuencia en una Microrred Utilizando WAMS
Get PDFThis paper describes the methodology for the implementation and development of a system with frequency control functions of a microgrid in a real-time simulation environment. The method presented in this work has been developed using time domain simulation with HYPERSIM which is a software for high resolution electromagnetic transient analysis. The integration step used allowed to obtain the response of a solar panel with its controllers and inverters connected to a distribution network and a load. The response of the microgrid was integrated with the WAMS system of CENACE through the connection of a PMU equipment in the Hardware In The Loop architecture which uses the analog inputs and outputs of the simulation in real time, this development analyzes dynamically different operational and contingency scenarios of the microgrid, especially the frequency response to a generation disconnection event.El presente articulo describe la metodología para la implementación y desarrollo de un sistema con funciones de control de frecuencia de una microrred en un entorno de simulación en tiempo real. El método que se presentara en este trabajo ha sido desarrollado utilizando la simulación en el dominio en el tiempo mediante HYPERSIM que es un software para análisis de transitorios electromagnéticos con alta resolución, el paso de integración utilizado permitió obtener la respuesta de un panel solar con sus controladores e inversores conectados a una red de distribución y a una carga. La respuesta de la microrred se la integro con el sistema WAMS de CENACE mediante la conexión de un equipo PMU en la arquitectura Hardware In The Loop la cual utiliza las entradas y salidas analógicas de la simulación en tiempo real, este desarrollo analiza de forma dinámica diferentes escenarios operativos y de contingencia de la microrred, especialmente la respuesta de frecuencia ante un evento de desconexión de generación
Determinación de los Indicadores de Calidad Energética para el Caso de un Usuario Conectado en Media Tensión
Get PDFThe purpose of this study was to determine the energy quality parameters in the system of a user connected in medium voltage, which registered penalties by the local distributor. For this, an energy audit was carried out in accordance with regulation No. ARCERNNR 002/20; carrying out a load study, technical valuation of assets and analysis of variables with a FLUKE 435 equipment. Being determined; Pst values greater than 1, records up to 36% in THD and an fp of 0.84 in more than 50% of the records. The ETAP software was used to analyze the load flows, evidencing that some points do not comply with the permitted voltage levels, registering variations of up to 26%. Additionally, saving alternatives were proposed through the use of solar radiation, running simulations in the DIALUX software. With the analysis and proposals raised, it is proposed to substantially improve the energy performance of the user.El propósito del presente estudio fue determinar los parámetros de calidad energética en el sistema de un usuario conectado en media tensión, la cual registraba penalizaciones por parte de la distribuidora local. Para ello se ejecutó una auditoría energética acorde a la regulación Nro. ARCERNNR 002/20; realizándose un estudio de carga, valoración técnica de activos y análisis de variables con un equipo FLUKE 435. Determinándose; valores de Pst superiores a 1, registros de hasta 36% en THD y un fp de 0,84 en más del 50% de los registros. Se empleó el software ETAP para analizar los flujos de carga, evidenciándose que algunos puntos no cumplen con los niveles de voltaje permitidos, registrándose variaciones de hasta el 26%. Adicionalmente se propuso alternativas de ahorro mediante el aprovechamiento de radiación solar, ejecutando simulaciones en el software DIALUX. Con el análisis y propuestas planteadas, se plantea mejorar sustancialmente el desempeño energético del usuario
Módulo de Software en Lenguaje Python para Estudios de Flujo de Potencia Inercial
Get PDFIn this work, the mathematical formulation of the "Inertial Power Flow" is presented, which allows finding a new equilibrium point in a power system that is subjected to a disturbance, starting from a given initial condition. The solution method is based on the modification of the Newton-Raphson algorithm for the solution of the power flow problem, incorporating the equations that characterize the action of the generator control systems (speed governor and voltage regulator), and the voltage and frequency dependent load modeling equations. In this way, the frequency deviation of the system, the redistribution of power flows in the network (Distributed Slack), as well as the changes in nodal voltages can be calculated. The software tool is developed in Python language and applied to the IEEE New England system. The results using the software tool are compared with those obtained from the DIgSILENT Power Factory program, where the relative errors are calculated in order to validate the developed tool.En este trabajo se presenta la formulación matemática del denominado “Flujo de Potencia Inercial”, que permite encontrar un nuevo punto de equilibrio en un sistema de potencia que es sometido a una perturbación, a partir de una condición inicial dada. El método de solución se basa en la modificación del algoritmo de Newton – Raphson para la solución de flujos de potencia, incorporando las ecuaciones que caracterizan la acción de los sistemas de control de los generadores (gobernador de velocidad y regulador de voltaje), y las ecuaciones de modelación de la carga dependiente del voltaje y frecuencia. De esta manera se puedan calcular la desviación de frecuencia del sistema, la redistribución de los flujos de potencia en la red (Slack Distribuida), así como, los cambios en los voltajes nodales. La herramienta de software es desarrollada en lenguaje Python y aplicada al sistema IEEE New England de 39 barras y 10 generadores. Los resultados obtenidos son comparados con los obtenidos del programa Power Factory de DIgSILENT, calculando los errores relativos que permiten la validación de la herramienta desarrollad
Análisis numérico mediante CFD para el proceso de ebullición forzada con isobutano que circula por tubos cuadrados
Get PDFThe purpose of this investigation is to compare the development of the boiling phenomenon in an analytical and numerical way, by means of the heat transfer coefficient for two phases and the steam quality with the R600a refrigerant, inside a square steel tube up to 3 cm side, the simulation is carried out using a software for computational fluid dynamics (fluid ANSYS). Finding an increase in steam quality for high calorie flow and low thickness. Finally, it finds the maximum phase change by boiling for flow of 400 kg/m²·s, heat of 20,000 W/m², with 88% steam for the central point in the exit edge condition.El propósito de esta investigación es analizar el desarrollo del fenómeno de ebullición de forma numérica, mediante el coeficiente de transferencia de calor para dos fases y la calidad del vapor con el refrigerante R600a, en el interior de un tubo cuadrado de acero de hasta 3 cm de lado, la simulación se realiza mediante un software de dinámica de fluidos computacional (Fluid ANSYS). Encontrar un aumento en la calidad del vapor para un flujo alto de calor y un espesor bajo. Finalmente, encuentra el máximo cambio de fase por ebullición para caudal de 400 kg/m²·s, calor de 20.000 W/m², con 88% de vapor para el punto central en condición de borde de salida