EcoGAR – proyecto de I+D

Este proyecto está financiado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial CDTI como parte del programa eea grants firmado por la Unión Europea e Islandia, Liechtenstein y Noruega. El programa va destinado prioritariamente a la investigación y desarrollo en el ámbito medioambiental y de cambio climático.

EcoGAR es un sistema electrónico integral y ecológico que optimiza la combinación de generación de energía renovable, almacenamiento y regulación del consumo eléctrico en viviendas unifamiliares, sin inyección de potencia a la red eléctrica.

El sistema se enfoca a la generación de energía eléctrica por medios respetuosos con el medio ambiente, para satisfacer las necesidades de autoconsumo acoplado a la red eléctrica, que aporta la energía de fondo que se necesita en un hogar, organización o empresa.

El proyecto se ha desarrollado durante los años 2.014 y 2.015

      ¿Qué es EcoGAR?

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    En este proyecto, Horus Hardware S.A. ha desarrollado un sistema electrónico, integral y ecológico que optimiza la combinación de generación de energía renovable, almacenamiento y regulación del consumo eléctrico en viviendas unifamiliares, sin inyección de potencia a la red eléctrica.

    El autoconsumo de energía eléctrica consiste en generar la electricidad para ser consumida en mayor o menor grado por el mismo productor, ya sea este un hogar, una organización o una empresa.

    Los sistemas de autoconsumo actuales mayoritariamente tienden a la sobregeneración de energía con el fin de vender a las compañías eléctricas el exceso de producción, dejando en segundo plano la gestión de la energía generada y corriendo esta gestión por cuenta de la red de distribución.

    Esta modalidad de producción se encuentra muy penalizada actualmente, según las nuevas normativas establecidas por el gobierno, ya que las compañías eléctricas se ven obligadas a gestionar un gran volumen de energía, tanto la producida de manera incontrolada en algunos casos, como en otros momentos valle de consumo en los que hay sobreproducción.

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    No hay actualmente en el mercado sistemas de generación de energía renovables para autoconsumo acoplados a red como el planteado en el presente proyecto. Actualmente, lo máximo que se oferta son equipos que establecen la posibilidad de hacer un balance de energía intercambiada entre el usuario y las compañías eléctricas, con un tope de la energía consumida y un peaje a pagar por el usuario tanto si genera como si consume. Esta modalidad de producción eleva los costes de explotación del sistema considerablemente y por ello, dificulta la amortización de los equipos y las posibilidades de expansión del futuro de las energías renovables.

    Además, los sistemas de autoconsumo que persiguen sustituir totalmente la conexión a red necesitan un dimensionado en cuanto a potencias y capacidad de almacenamiento que los hacen inviables económicamente, ya que sus componentes se encarecen exponencialmente.

    Objetivos Técnicos

  • Investigación y desarrollo de un prototipo de equipo electrónico que englobe la generación de energía de renovables, el almacenaje de la misma y la distribución y regulación de ésta hacia un uso optimizado y exclusivo de autoconsumo.
  • Desarrollar un equipo capaz de aprovechar toda la energía generada por sistemas de energía renovable para autoconsumo sin inyectar a la red eléctrica aunque manteniendo al usuario conectado a ella.
  • Desarrollar un equipo que permita unir varios dispositivos generadores de energía y que cada uno de ellos trabaje en sus condiciones óptimas permitiendo una reducción máxima de pérdidas.
  • Aprovechar el equipo para mejorar el factor de potencia de la vivienda de forma que se reduzca el consumo de potencia aparente.
  • Diseñar un equipo de reducidas dimensiones capaz de ubicarse en un espacio mínimo. A su vez el diseño tendrá en cuenta que el equipo sea silencioso y no produzca alteraciones en el entorno donde se ubica.
  • Poner económicamente al alcance de la mayoría de usuarios potenciales un equipo de aprovechamiento de energía renovable para autoconsumo sin tener que incurrir en el peaje por inyección de energía a la red, y que les supondrá una reducción en la factura eléctrica de aproximadamente un 80%.

El objetivo del proyecto consiste en el desarrollo de un prototipo de equipo electrónico que englobara la recepción de energía de dispositivos de generación de energías renovables, almacenaje de la misma y la regulación y distribución de ésta.

    Dicho prototipo consistía de diversos elementos:

  • Equipo de generación: paneles solares, aerogeneradores…
  • Equipo electrónico que permite gestionar la energía producida, su almacenamiento y el suministro a la instalación adaptándola a las necesidades de consumo y a la red.
  • Baterías de almacenaje que permite guardar la energía en los momentos en que no se demanda.

Paneles fotovoltaicos
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Se ha seleccionado el panel Solar de Atersa, fabricante español del grupo Elecnor, el modelo A-305P de 1965*990 y 72 células. Cada panel es capaz de generar 305w de pico con una tensión de 36.5v a potencia máxima.

En total se montaron un conjunto de 10 paneles que podían generar una potencia de pico de 3050w. Se distribuyeron en un montaje serie paralelo para disponer de una tensión máxima de 180v con intensidades de pico de 16amp.

El diseño de estos paneles permite su colocación sobre cubiertas o tejados sin que la estructura de los mismos se vea afectada debido a su bajo peso, aproximadamente 23 Kg por cada panel.

Aerogenerador
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Se eligió un aerogenerador de eje vertical de la firma Kliux, KLIUX, capaz de generar 1800W, Eje vertical de 3m x 2,36 m de diámetro y sólo 32 dBA de ruido, velocidad nominal a 11 m/s, arranque desde 3 m/s y también de fabricante español. Este aerogenerador dispone de un alternador trifásico de Imanes permanentes.

El alternador en conexión estrella generaba 380vac a potencia máxima, para nuestro control se conectó en triangulo para utilizar 220vac.

Sistema de almacenamiento

Se seleccionaron baterías para aplicaciones solares de Gel. Se ha usado el modelo LVJ75-12 de la marca Liven. Están fabricadas con separador de AGM y gel de sílice. La tecnología de gel de sílice ha demostrado que aumenta los ciclos de carga de la batería y el rendimiento en climas fríos. El número de ciclos de descarga profunda se incrementa mucho en comparación con las baterías normales de AGM.

Presentan también muy baja impedancia interna, un parámetro que beneficia la regulación del convertidor de batería según se demuestra en la simulación. Se ha elegido un modelo de 12 ah por ser más manejables.


Diagrama de bloques del equipo EcoGAR completo
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El diagrama muestra los elementos que componen el equipo electrónico del proyecto EcoGAR.

  • Inversor monofásico de salida a red
  • Convertidor para paneles fotovoltaicos
  • Convertidor para aerogenerador
  • Convertidor para sistema de almacenamiento – Baterias

Inversor monofásico de red

El inversor monofásico de salida a red tiene como función el acoplamiento de la tensión de salida de los equipos electrónicos de EcoGAR a la red con sincronización de fase e inyección controlada de corriente

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EL sistema de control del puente hexafásico que se utiliza para realizar la conversión de contínua a alterna se efectúa por banda de histéresis

Las funciones más importantes que realiza este módulo son las siguientes:

  • Evaluar la potencia que demanda el consumidor, y solicitar a los demás componentes de EcoGAR la energía que deben aportar para que la pueda inyectar en la red
  • Inyectar la potencia disponible en los componentes de EcoGAR para reducir al máximo el consumo de la red externa
  • Gestión de conexión de cargas domotizadas para aprovechamiento de la disponibilidad de energía
  • Control del perfil horario energético. Para determinar si el coste de inyección es favorable

Convertidor de paneles fotovoltaicos

Este convertidor está diseñado para el control de la transferencia de enregía desde los paneles, llevandolos a su punto de máxima potencia de trabajo para las condiciones de luminosidad y temperatura existentes en cada momento.

Para realizar el control se utiliza el puente en H como elevador de tensión, llevando el panel entre dos puntos de tensión elegidos dentro de su curva de potencia para alcanzar el máximo. Se va variando la tensión del panel y comprobando en cada instante la potencia obtenida, hasta alcanzar el punto de máxima potencia, en el cual se deja trabajando al panel. Esta operación se repite cada cierto tiempo para buscar las nuevas condiciones de la máxima potencia.

    Las funciones más importentes de este módulo son las siguientes:

  • Extraer la energía requerida de los paneles, estableciendo en caso de que la potencia disponible sea inferior, la búsqueda del punto de máxima potencia de trabajo los paneles.
  • Detección del umbral de insuficiencia lumínica para evitar el arranque del inversor
  • Sistema de elevación de tensión por encima del umbral de producción de energía para llevar el panel a no inyección en el sistema

Convertidor para el aerogenerador

Este convertidor está diseñado para el control de la transferencia de enregía desde el aerogenerador. Está diseñado para funcionar con aerogeneradores trifásicos.

El inversor establece el valor de la corriente de salida usando un control por banda de histéresis.

    Las funciones más importentes de este módulo son las siguientes:

  • Extraer la energía requerida de los paneles, estableciendo en caso de que la potencia disponible sea inferior, la búsqueda del punto de máxima potencia de trabajo.
  • Vigilancia de la velocidad del viento para garantizar la integroidad del aerogenerador en los casos de viento extremadamente intenso
  • En caso de que la potencia del las energías renovables total exceda el valor del límite de potencia admisible, el cual incluye la carga de la bateria, el inversor monofásico de red compensará la reducción de potencia en el convertidor de los paneles para permitir al aerogenerador entregar la máxima potencia disponible de forma prioritaria sobre la solar, ya que es más seguro

Convertidor para el sistema de almacenamiento – baterias

Este convertidor está diseñado para el control de la transferencia de enregía desde y hacia las baterias.

El sistema incluye un transformador de alta frecuencia que permite elevar la tensión de las baterias al nivel requerido para el control de los demás elementos del sistema EcoGAR. Este transformador de alta frecuencia se encuentra entre dos convertidores uno de DC-AC y el otro de AC-DC permitiendo su funcionamiento.

    Las funciones más importentes de este módulo son las siguientes:

  • Evaluar el estado de carga continuamente del sistema de baterías
  • Generar las referencias de potencia disponible en cada momento así como la potencia máxima admisible para gestionar la carga de la batería, evitando descargas profundas y cargas excesivas por encima del nivel recomendado por el fabricante, permitiendo de esta manera optimizar su funcionamiento junto con un ciclo de vida mayor.

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