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Exploraci�n de Estrategias Tecnol�gicas en la Integraci�n de Fuentes Renovables con Sistemas Electromec�nicos

 

Exploration of Technological Strategies in the Integration of Renewable Sources with Electromechanical Systems

 

Explora��o de Estrat�gias Tecnol�gicas na Integra��o de Fontes Renov�veis ​​​​com Sistemas Eletromec�nicos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: melvin.guevara2864@utc.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 27 de mayo de 2024 *Aceptado: 23 de junio de 2024 * Publicado: �16 de julio de 2024

 

        I.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, La Man�, Ecuador.

      II.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, La Man�, Ecuador.

   III.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, La Man�, Ecuador.

Resumen

La transici�n hacia fuentes de energ�a renovable presenta desaf�os significativos para la integraci�n con sistemas electromec�nicos tradicionales. Este estudio explora estrategias tecnol�gicas para superar estos retos, enfoc�ndose en sistemas de control predictivo y el uso de otras tecnolog�as para gestionar la variabilidad de las fuentes renovables. La metodolog�a incluye una revisi�n de literatura, an�lisis de tendencias tecnol�gicas y simulaciones computacionales utilizando OpenDSS y Matlab. Los resultados demuestran que la integraci�n de paneles solares fotovoltaicos y sistemas de almacenamiento en bater�as en microrredes urbanas por medio del an�lisis de una simulaci�n de un caso, mejora notablemente la estabilidad del voltaje y reduce las p�rdidas de energ�a. El an�lisis revela una adopci�n considerable de tecnolog�as como inversores inteligentes, sistemas de almacenamiento de bater�as, microrredes, FACTS (Sistemas de Transmisi�n Flexibles en CA) y PMUs (Unidades de Medici�n Fasorial) entre 2019 y 2024. Estas tecnolog�as son esenciales para la modernizaci�n de redes el�ctricas, proporcionando mayor eficiencia y resiliencia. Los avances en materiales y el dise�o de m�quinas el�ctricas, junto con la digitalizaci�n y el uso de redes inteligentes, son clave para mejorar la integraci�n de energ�as renovables.

Palabras Clave: Energ�as renovables; Sistemas electromec�nicos; Control predictivo; Almacenamiento de energ�a; Redes inteligentes.

 

Abstract

The transition to renewable energy sources presents significant challenges for integration with traditional electromechanical systems. This study explores technological strategies to overcome these challenges, focusing on predictive control systems and the use of other technologies to manage the variability of renewable sources. The methodology includes a literature review, analysis of technological trends and computational simulations using OpenDSS and Matlab. The results demonstrate that the integration of photovoltaic solar panels and battery storage systems in urban microgrids through a case simulation analysis significantly improves voltage stability and reduces energy losses. The analysis reveals considerable adoption of technologies such as smart inverters, battery storage systems, microgrids, FACTS (Flexible AC Transmission Systems) and PMUs (Phasor Measurement Units) between 2019 and 2024. These technologies are essential for the modernization of electrical networks, providing greater efficiency and resilience. Advances in materials and the design of electrical machines, together with digitalization and the use of smart grids, are key to improving the integration of renewable energies.

Keywords: Renewable energies; Electromechanical systems; predictive control; Energy storage; Intelligent networks.

 

Resumo

A transi��o para fontes de energia renov�veis ​​apresenta desafios significativos para a integra��o com os sistemas eletromec�nicos tradicionais. Este estudo explora estrat�gias tecnol�gicas para superar estes desafios, com foco nos sistemas de controlo preditivo e na utiliza��o de outras tecnologias para gerir a variabilidade das fontes renov�veis. A metodologia inclui revis�o de literatura, an�lise de tend�ncias tecnol�gicas e simula��es computacionais com recurso ao OpenDSS e ao Matlab. Os resultados demonstram que a integra��o de pain�is solares fotovoltaicos e sistemas de armazenamento de baterias em micro-redes urbanas atrav�s de uma an�lise de simula��o de caso melhora significativamente a estabilidade de tens�o e reduz as perdas de energia. A an�lise revela uma consider�vel ado��o de tecnologias como inversores inteligentes, sistemas de armazenamento de baterias, micro-redes, FACTS (Flexible AC Transmission Systems) e PMUs (Phasor Measurement Units) entre 2019 e 2024. Estas tecnologias s�o essenciais para a moderniza��o das redes el�tricas, proporcionando maior efici�ncia e resili�ncia. Os avan�os nos materiais e na concep��o de m�quinas el�ctricas, juntamente com a digitaliza��o e a utiliza��o de redes inteligentes, s�o fundamentais para melhorar a integra��o das energias renov�veis.

Palavras-chave: Energias renov�veis; Sistemas eletromec�nicos; controlo preditivo; Armazenamento de energia; Redes inteligentes.

 

Introducci�n

La transici�n hacia fuentes de energ�a renovable representa uno de los desaf�os m�s grandes y transformadores del siglo XXI. A medida que el mundo se enfrenta a las consecuencias del cambio clim�tico y la creciente demanda energ�tica, la integraci�n de fuentes renovables en los sistemas electromec�nicos existentes se ha convertido en una prioridad para gobiernos, industrias y comunidades cient�ficas a nivel global [1]. Esta integraci�n no solo promete reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, sino que tambi�n ofrece la posibilidad de crear sistemas energ�ticos m�s resilientes, eficientes y sostenibles [2].

Los sistemas electromec�nicos, que han sido durante mucho tiempo el pilar de la generaci�n y distribuci�n de energ�a convencional, se encuentran ahora en una encrucijada tecnol�gica. La introducci�n de fuentes renovables como la solar, e�lica, hidroel�ctrica y geot�rmica presenta desaf�os �nicos debido a su naturaleza intermitente y distribuida [3]. Estos desaf�os requieren no solo avances en la tecnolog�a de generaci�n de energ�a renovable, sino tambi�n innovaciones significativas en la forma en que estos sistemas se integran con la infraestructura electromec�nica existente.

La complejidad de esta integraci�n se manifiesta en m�ltiples niveles. A nivel de red, la variabilidad inherente de las fuentes renovables puede conducir a inestabilidades en la frecuencia y el voltaje, requiriendo sistemas de control m�s sofisticados y flexibles [4]. A nivel de componentes, la interfaz entre las fuentes renovables y los sistemas electromec�nicos tradicionales a menudo implica la necesidad de convertidores de potencia avanzados y dispositivos de almacenamiento de energ�a [5]. Adem�s, la naturaleza distribuida de muchas fuentes renovables est� impulsando un cambio paradigm�tico hacia redes m�s descentralizadas y adaptativas, conocidas como microrredes [6].

En este contexto, la exploraci�n de estrategias tecnol�gicas para la integraci�n eficiente y efectiva de fuentes renovables con sistemas electromec�nicos se ha convertido en un campo de investigaci�n vibrante y multidisciplinario. Estas estrategias abarcan una amplia gama de enfoques, desde mejoras incrementales en tecnolog�as existentes hasta innovaciones disruptivas que re - imaginan fundamentalmente la arquitectura de los sistemas energ�ticos [7].

Una de las importantes �reas de investigaci�n es el desarrollo de sistemas de control avanzados que puedan manejar la complejidad y la variabilidad de las fuentes renovables. Los algoritmos de control predictivo basados en modelos (MPC) han demostrado ser particularmente prometedores en este contexto, permitiendo una gesti�n m�s eficiente de los recursos energ�ticos y una mejor respuesta a las fluctuaciones en la generaci�n y demanda [8]. Adem�s, la integraci�n de t�cnicas de inteligencia artificial y aprendizaje autom�tico est� abriendo nuevas posibilidades para la optimizaci�n en tiempo real y la toma de decisiones aut�noma en sistemas energ�ticos complejos [9].

Paralelamente, los avances en tecnolog�as de almacenamiento de energ�a est�n desempe�ando un papel primordial en la mitigaci�n de la intermitencia de las fuentes renovables. Las bater�as de iones de litio han experimentado mejoras significativas en t�rminos de densidad energ�tica y ciclos de vida, haci�ndolas m�s viables para aplicaciones a gran escala [10]. Sin embargo, tambi�n est�n surgiendo tecnolog�as alternativas, como el almacenamiento de energ�a por aire comprimido (CAES) y los sistemas de almacenamiento de energ�a por volante de inercia (FESS), que ofrecen caracter�sticas complementarias y pueden ser m�s adecuadas para ciertas aplicaciones espec�ficas [11].

La integraci�n de fuentes renovables tambi�n est� impulsando innovaciones en el dise�o de m�quinas el�ctricas. Los generadores s�ncronos de imanes permanentes (PMSG) se han convertido en una opci�n popular para aplicaciones de energ�a e�lica debido a su alta eficiencia y capacidad de operaci�n a velocidad variable [12]. En el campo de la energ�a solar fotovoltaica, los inversores inteligentes con capacidades avanzadas de control de potencia reactiva est�n mejorando la estabilidad de la red y permitiendo una mayor penetraci�n de energ�a solar en los sistemas de distribuci�n [13].

Otra �rea de investigaci�n prometedora es el desarrollo de materiales avanzados para mejorar la eficiencia y durabilidad de los componentes electromec�nicos. Los materiales superconductores de alta temperatura (HTS) est�n encontrando aplicaciones en cables de transmisi�n de alta capacidad y en el dise�o de generadores m�s compactos y eficientes [14]. Adem�s, los avances en materiales compuestos y nanotecnolog�a est�n permitiendo la creaci�n de palas de turbinas e�licas m�s ligeras y resistentes, as� como c�lulas solares de mayor eficiencia [15].

La digitalizaci�n y la adopci�n de tecnolog�as de la informaci�n y la comunicaci�n (TIC) tambi�n est�n jugando un papel relevante en la integraci�n de fuentes renovables. El concepto de redes el�ctricas inteligentes o "smart grids" est� transformando la forma en que se gestiona y distribuye la energ�a, permitiendo una mayor flexibilidad y eficiencia en la operaci�n del sistema [16]. Las tecnolog�as de Internet de las Cosas (IoT) est�n facilitando la monitorizaci�n y control en tiempo real de activos distribuidos, mientras que los sistemas de gesti�n de energ�a basados en la nube est�n permitiendo una coordinaci�n m�s efectiva entre diferentes recursos energ�ticos [17].

Sin embargo, la integraci�n de fuentes renovables con sistemas electromec�nicos no est� exenta de desaf�os. Uno de los principales obst�culos es la necesidad de actualizar y reforzar la infraestructura de transmisi�n y distribuci�n existente para acomodar flujos de energ�a bidireccionales y m�s variables [18]. Esto requiere no solo inversiones significativas en hardware, sino tambi�n en sistemas de protecci�n y control m�s sofisticados.

Adem�s, la integraci�n a gran escala de fuentes renovables plantea desaf�os en t�rminos de estabilidad del sistema y calidad de la energ�a. La reducci�n de la inercia del sistema debido a la disminuci�n de generadores s�ncronos convencionales puede llevar a problemas de estabilidad de frecuencia, requiriendo nuevas estrategias para proporcionar servicios auxiliares como la regulaci�n de frecuencia y la reserva rotativa [19]. La proliferaci�n de inversores basados en electr�nica de potencia tambi�n introduce nuevos tipos de arm�nicos y puede afectar la calidad de la energ�a, necesitando soluciones innovadoras para la mitigaci�n de estos efectos [20].

Otro aspecto que hay que tomar en cuenta en la integraci�n de fuentes renovables es la optimizaci�n del dise�o y la operaci�n de sistemas h�bridos que combinan diferentes tecnolog�as de generaci�n y almacenamiento. Estos sistemas h�bridos pueden ofrecer una mayor confiabilidad y eficiencia, pero tambi�n presentan desaf�os en t�rminos de dimensionamiento �ptimo, estrategias de control y gesti�n energ�tica [21]. La modelizaci�n y simulaci�n de estos sistemas complejos se ha convertido en un �rea de investigaci�n activa, con el desarrollo de herramientas de software avanzadas que permiten un an�lisis m�s preciso y detallado de diferentes escenarios y configuraciones [22].

La integraci�n de fuentes renovables tambi�n est� impulsando cambios en los marcos regulatorios y los modelos de negocio del sector energ�tico. La transici�n hacia un sistema energ�tico m�s descentralizado y basado en renovables requiere nuevas pol�ticas y mecanismos de mercado que incentiven la inversi�n en tecnolog�as limpias y promuevan la participaci�n activa de los consumidores [23]. Conceptos como la respuesta a la demanda, los agregadores de energ�a y las comunidades energ�ticas est�n ganando tracci�n, ofreciendo nuevas formas de optimizar el uso de recursos renovables y mejorar la flexibilidad de los sistemas [24].

 

Metodolog�a

Para explorar las estrategias tecnol�gicas en la integraci�n de fuentes renovables con sistemas electromec�nicos, se adopt� un enfoque multifac�tico que combina revisi�n de literatura, an�lisis de datos y simulaci�n computacional.

 

 

Revisi�n sistem�tica de la literatura

Se realiz� una amplia revisi�n de art�culos cient�ficos, informes t�cnicos y patentes publicados entre 2019 y 2023. Las bases de datos consultadas incluyeron Google Acad�mico, Dialnet, Scielo, IEEE Xplore, ScienceDirect y Web of Science. Los t�rminos de b�squeda utilizados fueron:

�         "Integraci�n de energ�as renovables"

�         "Sistemas electromec�nicos"

�         "Tecnolog�as de redes inteligentes"

�         "Sistemas de almacenamiento de energ�a"

�         "Electr�nica de potencia para energ�as renovables"

�         "Renewable energy integration"

�         "Electromechanical systems"

�         "Smart grid technologies"

�         "Energy storage systems"

�         "Power electronics for renewables"

La b�squeda inicial arroj� 1,245 art�culos, que se redujeron a 287 tras aplicar criterios de inclusi�n y exclusi�n basados en la importancia y la calidad metodol�gica del art�culo.

 

An�lisis de tendencias tecnol�gicas

Se analizaron las tendencias en la adopci�n de diferentes tecnolog�as de integraci�n de renovables utilizando datos de implementaciones reales y proyectos piloto. Los datos se obtuvieron de informes de la Agencia Internacional de Energ�a (IEA) y la base de datos IRENA. La siguiente tabla resume las principales tecnolog�as analizadas y sus tasas de adopci�n:

 

Tabla 1: Tendencias Tecnol�gicas

 

Simulaci�n de Estudio, Integraci�n de Energ�as Renovables en Microrredes Urbanas

Para evaluar la integraci�n de energ�as Renovables en microrredes urbanas, se adopt� una metodolog�a de simulaci�n utilizando OpenDSS y Matlab. Este modelo de simulaci�n evalu� la integraci�n de paneles solares fotovoltaicos con sistemas de almacenamiento de energ�a en bater�as. Los resultados mostraron una mejora significativa en la estabilidad de la red y una reducci�n en las p�rdidas de energ�a.

 

Resultados

Al hacer menci�n acerca de la tasa de adopci�n de Tecnolog�as de Integraci�n de Energ�as Renovables en la figura se presenta la tasa de adopci�n de diversas tecnolog�as de integraci�n de fuentes renovables entre los a�os 2019 y 2023. Estas tecnolog�as son esenciales para la transici�n hacia un sistema energ�tico m�s sostenible y eficiente. Los inversores inteligentes, con una tasa de adopci�n del 78%, lideran la integraci�n de energ�as renovables, facilitando una conversi�n eficiente y flexible de energ�a. Los sistemas de almacenamiento de bater�as, adoptados en un 65%, son cruciales para mitigar la intermitencia de fuentes renovables como la solar y la e�lica. Microrredes, FACTS y PMUs tambi�n muestran tasas de adopci�n significativas, reflejando su importancia en la modernizaci�n y gesti�n de redes el�ctricas. Este an�lisis subraya la r�pida evoluci�n y adopci�n de tecnolog�as que apoyan la integraci�n de energ�as renovables a nivel global.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 1: Tasa de Adopci�n de Integraci�n de Energ�as Renovables

 

Ahora al referirse acerca de la eficiencia promedio de Tecnolog�as de la integraci�n de Energ�as Renovables, lo cual se aprecia en la figura 2, en donde la eficiencia promedio de diversas tecnolog�as de integraci�n de fuentes renovables entre los a�os 2019 y 2023. Estas tecnolog�as son fundamentales para maximizar el rendimiento y la fiabilidad de los sistemas energ�ticos modernos. Las PMUs (Unidades de Medici�n Fasorial) destacan con una eficiencia promedio del 99%, lo que las convierte en herramientas esenciales para la monitorizaci�n y el control en tiempo real de las redes el�ctricas. Los FACTS (Sistemas de Transmisi�n Flexibles en CA) tambi�n presentan una alta eficiencia del 98%, facilitando una transmisi�n de energ�a m�s estable y flexible. Las microrredes, los inversores inteligentes y los sistemas de almacenamiento de bater�as muestran eficiencias promedio elevadas, reflejando su papel crucial en la gesti�n y optimizaci�n de la energ�a renovable. Este an�lisis destaca la importancia de estas tecnolog�as para mejorar la eficiencia y estabilidad de los sistemas el�ctricos.

 

Figura 2: Eficiencia Promedio de Tecnolog�as de Integraci�n de Energ�as Renovables

 

La simulaci�n del Caso de Estudio se centr� en la evaluaci�n de la integraci�n de paneles solares fotovoltaicos en microrredes urbanas, combinados con sistemas de almacenamiento de energ�a en bater�as. En este trabajo se utiliz� simulaciones en OpenDSS y MATLAB para analizar el impacto de esta integraci�n en la estabilidad de la red y la eficiencia del sistema. Los resultados obtenidos revelaron mejoras significativas en la estabilidad del voltaje y una reducci�n notable en las p�rdidas de energ�a, demostrando la viabilidad y los beneficios de adoptar tecnolog�as de energ�a solar en entornos urbanos. A continuaci�n, en la figura 3, se presenta los detalles y resultados integrar Energ�a Renovable a la Red Principal.

 

 

 

 

 

Figura 3: Estabilidad de Voltaje antes y despu�s de la Integraci�n de Energ�as Renovables

 

Adem�s, Se gener� un gr�fico de barras comparativo para visualizar la reducci�n en las p�rdidas de energ�a antes y despu�s de la integraci�n de paneles solares fotovoltaicos, que se pue observar en la figura 4.

 

Figura 4: Comparaci�n de P�rdidas de Energ�a antes y despu�s de la Integraci�n

Finalmente, en la figura 5 se gener� un gr�fico de barras comparativo para visualizar la mejora en la eficiencia del sistema antes y despu�s de la integraci�n de paneles solares fotovoltaicos.

 

Figura 5: Comparaci�n de Eficiencia del Sistema antes y despu�s de la Integraci�n

 

El resumen de la simulaci�n del caso de estudio se aprecia en la tabla 2.

 

Tabla 2: Resultados de la Simulaci�n

 

Discusi�n

Los resultados de la revisi�n de la literatura y el an�lisis de tendencias tecnol�gicas indican que la adopci�n de tecnolog�as de integraci�n de renovables ha sido significativa entre 2019 y 2023. Los inversores inteligentes y los sistemas de almacenamiento de bater�as muestran altas tasas de adopci�n y eficiencias promedio, lo que subraya su importancia en la transici�n hacia sistemas energ�ticos m�s sostenibles y resilientes.

Las microrredes y los FACTS tambi�n han mostrado adopciones considerables, destacando su papel en la gesti�n de la variabilidad y la distribuci�n descentralizada de energ�a. Las PMUs, con la m�s alta eficiencia promedio, son cruciales para la monitorizaci�n y el control en tiempo real de los sistemas el�ctricos.

El an�lisis de tendencias tecnol�gicas revel� que los inversores inteligentes y los sistemas de almacenamiento de bater�as son las tecnolog�as m�s adoptadas, con tasas de adopci�n del 78% y 65%, respectivamente. Estas tecnolog�as no solo son esenciales para la integraci�n efectiva de energ�as renovables, sino que tambi�n son fundamentales para mejorar la estabilidad y eficiencia del sistema el�ctrico. Las microrredes, los FACTS y las PMUs tambi�n han mostrado tasas de adopci�n significativas, destacando su importancia en la modernizaci�n y gesti�n de redes el�ctricas m�s resilientes y flexibles.

La integraci�n de paneles solares fotovoltaicos y sistemas de almacenamiento en bater�as result� en un incremento notable en la estabilidad del voltaje, pasando de un 92% antes de la integraci�n a un 98% despu�s de la integraci�n. Este aumento en la estabilidad del voltaje es crucial para mantener la calidad de la energ�a suministrada y evitar problemas de sobrecarga o subvoltaje que puedan da�ar los equipos el�ctricos y reducir la eficiencia operativa del sistema.

Otro hallazgo importante es la reducci�n de las p�rdidas de energ�a, que disminuyeron del 5% al 2%. Esta reducci�n es significativa, ya que las p�rdidas de energ�a representan una p�rdida econ�mica y una ineficiencia en la utilizaci�n de los recursos energ�ticos. La integraci�n de sistemas de almacenamiento de energ�a en bater�as contribuye a esta mejora al permitir un mejor manejo de la energ�a generada por los paneles solares, almacenando el exceso de energ�a para su uso en momentos de alta demanda o baja generaci�n.

La eficiencia del sistema tambi�n mostr� una mejora apreciable, aumentando del 85% al 90%. Esta mejora en la eficiencia se debe principalmente a la capacidad de los sistemas de almacenamiento de energ�a para optimizar el uso de la energ�a generada y minimizar las p�rdidas asociadas con la intermitencia y variabilidad de las fuentes renovables. La alta eficiencia promedio de tecnolog�as como los inversores inteligentes (97%) y las PMUs (99%) tambi�n juega un papel crucial en este incremento.

Las mejoras observadas en la estabilidad del voltaje, la reducci�n de las p�rdidas de energ�a y el incremento en la eficiencia del sistema tienen importantes implicaciones pr�cticas. Los resultados sugieren que la integraci�n de energ�as renovables en microrredes urbanas no solo es viable, sino tambi�n beneficiosa desde el punto de vista t�cnico y econ�mico. Estas mejoras pueden traducirse en una mayor resiliencia del sistema el�ctrico, una mejor calidad del suministro de energ�a y una reducci�n en los costos operativos a largo plazo.

 

Conclusiones

El an�lisis de tendencias tecnol�gicas revel� que los inversores inteligentes y los sistemas de almacenamiento de bater�as son las tecnolog�as m�s adoptadas, destacando su importancia en la modernizaci�n de las redes el�ctricas y la integraci�n eficiente de energ�as renovables. Las microrredes, los FACTS y las PMUs tambi�n han mostrado ser componentes esenciales para la gesti�n y operaci�n de sistemas el�ctricos m�s flexibles y resilientes.

Al analizar la simulaci�n de un caso, los resultados muestran una reducci�n significativa en las p�rdidas de energ�a, lo que implica una utilizaci�n m�s eficiente de los recursos energ�ticos disponibles. La capacidad de almacenar el exceso de energ�a generada y utilizarla en momentos de alta demanda contribuye a esta mejora, mostrando el valor a�adido de los sistemas de almacenamiento.

La eficiencia del sistema el�ctrico tambi�n se vio mejorado considerablemente con la integraci�n de estas tecnolog�as. Esto se debe a la optimizaci�n en el uso de la energ�a generada por fuentes renovables y a la minimizaci�n de las p�rdidas asociadas con la variabilidad de estas fuentes.

Las mejoras observadas en t�rminos de estabilidad, reducci�n de p�rdidas y aumento de eficiencia no solo benefici� t�cnicamente a la red el�ctrica, sino que tambi�n tienen implicaciones econ�micas positivas. Estas incluyen la reducci�n de costos operativos y una mayor resiliencia del sistema, lo cual es fundamental para la sostenibilidad a largo plazo de las infraestructuras energ�ticas urbanas.

 

Referencias

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� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).

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