1. INTRODUCCIÓN
Evidencia científica internacional señala
que desde 1750 el planeta está experimentando un calentamiento neto, y que
durante el presente siglo continuará calentándose a
Consecuencia de las emisiones de gases de
efecto invernadero (GEI) producidos por la acción humana, en particular la
procedente del consumo de petróleo y carbón. Este es, sin duda, el problema
más grave en el campo ambiental, y según muchas autoridades, la mayor amenaza
global en términos absolutos [1].
Este artículo puede compartirse bajo la
licencia CC BY-ND 4.0 y se referencia usando el siguiente formato: L.
Rueda, J. Barrero, C. Duarte. El conmutador inteligente de potencia y la
sub-medición por circuito como herramientas para la gestión energética
residencial,” UIS Ingenierías, vol. 16, no. 1, pp. 35-46, Enero-Junio 2017.
En el aspecto energético el cambio
climático presenta desafíos cada vez mayores para su producción y transmisión.
El aumento progresivo de la temperatura, el
creciente número y severidad de los
fenómenos meteorológicos extremos y el cambio de los patrones de precipitación
afectarán la producción y el suministro de energía [2]. Así mismo, el
suministro de combustibles fósiles y la generación y transmisión de energía
térmica e hidroeléctrica, también se verán afectados.
De esta manera, la expectativa de reducción
de los impactos globales ha propiciado alternativas como: la generación
distribuida, la respuesta a la demanda, la tarifa diferencial, las microredes
de energía y los sistemas de gestión energética residencial, entre otros. Las
nuevas tecnologías convergen bajo el concepto de las redes inteligentes (Smart
Grids), los cuales tienen el potencial para lograr un nuevo nivel de gestión
energética [3], [4].
Considerando la creciente demanda de
electrodomésticos, dispositivos móviles de entretenimiento digital y
comunicaciones, el sector residencial es un sector con vasto potencial de
ahorro energético, haciéndose necesario el uso de electrodomésticos y dispositivos
inteligentes con capacidad de ahorrar energía, reducir costos e incrementar la
confiabilidad y robustez de la red.
La integración de fuentes no convencionales
de energía ha incrementado rápidamente. Sin embargo, estas fuentes alternativas
no cuentan con la capacidad de proveer energía de forma constante, presentando
fluctuaciones en la potencia de salida, la frecuencia de la red y el valor
eficaz de la tensión [5], [6]. Como alternativa para superar esa limitante de
las fuentes renovables, en 1998, Toyoda propuso el concepto de una red de
energía eléctrica abierta (Open Electric Energy Network, OEEN), donde el flujo
de potencia es controlado por múltiples Electric Energy Routers [7]. Este Power
Router permite que diferentes tipos de fuentes de energía que pueden estar
dispersas sean integradas al mercado de energía eléctrica sin causar
inconvenientes a los servicios de energía existentes o a los consumidores [8].
De igual manera, diversos estudios han
mostrado que sólo con brindar a los usuarios el consumo desagregado de la
energía y proveer retroalimentación frente a su gasto energético se logra
reducir el consumo hasta en un 18%, en especial debido a que la información
suministrada al usuario final sobre los patrones de consumo propicia la gestión
individual de la demanda [9], [10]. Es por esto, que la sub-medición por
circuito es una herramienta importante para el uso racional y eficiente de la
energía eléctrica.
Este artículo presenta el conmutador
inteligente de potencia y la sub-medición por circuito como herramientas para
la gestión energética residencial, para esto, se realiza una revisión de los
antecedentes y el estado del arte relacionado con la temática. A continuación,
se presenta la topología de un sistema de distribución de potencia residencial,
por medio del cual es posible controlar el flujo de energía entre las
diferentes fuentes de energía y las cargas de una vivienda. Igualmente, se
describe la implementación del sistema propuesto y se analizan los resultados
de los experimentos realizados.
El documento está organizado de la
siguiente manera. La Sección 2 presenta el concepto de hogar inteligente, sus
características y funcionalidades. Posteriormente, la Sección 3 muestra la
reglamentación y normativa colombiana relacionada con la gestión energética. A
continuación, en las Secciones 4 y 5 respectivamente, se describen los tipos de
router de energía eléctrica y el conmutador inteligente de potencia. De la
misma manera, la Sección 6 expone la sub-medición por circuito y en la Sección
7 la describe la metodología utilizada para la investigación. Finalmente, la
Sección 8 presenta los experimentos y resultados obtenidos y la Sección 9 las
conclusiones del trabajo realizado.
2. HOGARES INTELIGENTES
Un hogar inteligente (Smart Home) es la
integración de diferentes servicios y componentes dentro de una unidad
residencial utilizando sistemas de comunicación, capaces de soportar
operaciones seguras y económicas, además de brindar confort y gestión de la
carga eléctrica según las preferencias del usuario. Un hogar inteligente en un
principio fue concebido como una tecnología para controlar sistemas ambientales
de iluminación y temperatura. Actualmente esta tecnología también permite la
monitorización de las actividades al interior de la casa, dando la posibilidad
de una operación individualizada según las costumbres y las preferencias del
usuario previamente censadas. Este nivel de inteligencia, flexibilidad y
funcionalidad tienen una vasta variedad de aplicaciones [11], [12].
2.1. Aplicaciones
La infraestructura de comunicación y
control de un hogar inteligente permite una gran variedad de aplicaciones de
diferentes requerimientos y beneficios.
A continuación, se muestran tres categorías
de aplicaciones:
2.2.1 Protección y seguridad.
Incluye sistemas de alarma y
monitorización, operaciones seguras de equipos técnicos o asistencia
médica en caso de emergencia a usuarios con limitaciones.
2.2.2 Confort, comunicación y entretenimiento.
Sistemas
programables de control de iluminación, persianas, puertas y diferentes clases
de dispositivos residenciales, dispositivos de entretenimiento como radio,
televisión, teatro en casa y dispositivos wifi e integración de los diferentes
protocolos de comunicación dentro de la red de área doméstica.
2.2.3 Gestión energética.
Este tipo de aplicaciones se componen de un
conjunto de sistemas que permiten realizar control eficiente de cargas
eléctricas y sistemas de climatización de edificaciones (Heat Ventilation and
Air Condiotinning, HVAC), monitorización y control del consumo desagregado de
energía eléctrica, la incorporación del vehículo eléctrico, la integración de
fuentes no convencionales de energía eléctrica y brindar servicios
complementarios al usuario y a la empresa prestadora del servicio..
2.2. Componentes
En la Figura 1 son presentados los
componentes típicos de un hogar inteligente para aplicaciones de gestión
energética. Se puede observar la presencia de fuentes no convencionales de
energía, el vehículo eléctrico, la infraestructura de medición avanzada
(Advanced
Metering Infrastructure, AMI), la red de
área doméstica (Home Area Network, HAN), el concentrador y los
electrodomésticos inteligentes. Adicionalmente, el hogar cuenta con
conectividad a internet, haciendo posible mantener una comunicación
bidireccional con la empresa electrificadora y con el usuario, permitiéndole a
este último monitorizar y controlar su hogar de forma remoto por medio de un
computador o dispositivo móvil.
Figura 1. Componentes de la Smart home.
Fuente.
[13].
De igual manera, en la Figura 2 se muestra
la estructura de un hogar inteligente de forma esquemática. Se observa que la
vivienda esta equipado con dispositivos inteligentes, una red de comunicación
doméstica que es capaz de mantener conectados los dispositivos, un concentrador
que recibe toda la información y gestiona las diversas funcionalidades del
sistema, y el Gateway, el cual es una pasarela entre el hogar y el usuario a
través de Internet [14].
3. MARCO LEGAL Y REGULACIÓN COLOMBIANA
La gestión energética residencial en
Colombia está en un nivel reglamentario bajo para la introducción de
tecnologías como las redes inteligentes, la infraestructura de medición
avanzada y los sistemas de gestión energética residenciales (Home Energy
Management System – HEMS). Sin embargo, en los últimos años se ha venido
evolucionando en este contexto. A continuación, se exponen los aspectos más
relevantes de la reglamentación y promulgación en materia de eficiencia energética
por parte de las entidades gubernamentalesde manera apropiada un artículo
científico original.
3.1. Ley
1715 de 2014
Promueve el desarrollo y la utilización de
las fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter
renovable, en el sistema energético nacional, mediante su integración al
mercado eléctrico, su participación en las zonas no interconectadas y en otros
usos energéticos como medio necesario para el desarrollo económico sostenible,
la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la seguridad del
abastecimiento energético.
Con esta ley se busca establecer el marco
legal y los instrumentos para la promoción del aprovechamiento de las fuentes
no convencionales de energía, lo mismo que para el fomento de la inversión,
investigación y desarrollo de tecnologías limpias para producción de energía,
la eficiencia energética y la respuesta de la demanda, en el marco de la
política energética nacional [15].
3.2. Decreto
1285 y resolución 549 de 2015
Encaminados al mejoramiento de la calidad
de vida de los habitantes y el ejercicio de actuaciones con responsabilidad
ambiental y social, el 10 de julio de 2015 el Ministerio de Vivienda, Ciudad y
Territorio (MVCT) anunció la adopción de la primera reglamentación de índole
nacional que fomenta la construcción sostenible. Se trata de la Resolución No.
549 y el Decreto 1285 de 2015 del MVCT [16] mediante la cual se adopta la Guía
para el ahorro de agua y energía en edificaciones.
Figura 3. Red de distribución AC
de un hogar. Fuente. [6].
3.3. Otras
reglamentaciones
En la Tabla 1 se presentan otras normativas
que han permitido la evolución del contexto legal, normativo y reglamentario
colombiano encaminado a la gestión, eficiencia y uso racial de la energía
eléctrica.
4. ENRUTADOR DE ENERGÍA ELÉCTRICA
La instalación de fuentes renovables de
energía como los paneles fotovoltaicos, turbinas eólicas y/o celdas de combustible
en conjunto con la red eléctrica comercial, produce electricidad de calidad
variable en los hogares debido a las fluctuaciones que las fuentes no
convencionales de energía eléctrica introducen a la red [6].
La calidad de la energía eléctrica implica
un suministro de potencia eléctrica máxima disponible, además de presentar
estabilidad de frecuencia y tensión [28]. En general, la energía generada por
fuentes renovables es inferior en calidad a la energía comercial.
Actualmente, el uso de baterías secundarias
es combinado con las fuentes de generación distribuida para compensar los
cambios en la potencia eléctrica de salida, ajustando la calidad de la energía
de salida a la de la de la red comercial por medio de inversores y conversores.
Sin embargo, este método es ineficiente debido a que incrementa las pérdidas
del sistema a causa de las múltiples conversiones [28]. Algunos equipos como
los computadores portátiles y los dispositivos móviles son construidos con
baterías internas, no siendo necesario que estos sean alimentados con energía
de alta calidad. Por tanto, es razonable conectar una determinada fuente de
energía eléctrica con ciertas cargas, dependiendo de las necesidades de cada
una de estas [28].
Figura 4. Esquemático del Enrutador de
Potencia AC y su terminal de información. Fuente. [8].
La Figura 3 muestra el mapa conceptual de
la red de distribución AC de un hogar. En este, las diferentes fuentes de
energía eléctrica externas o propias y los circuitos eléctricos internos del
hogar son conectados al equipo de enrutamiento (AC Power Router), de esta
manera, cuando el usuario desea utilizar un aparatoeléctrico, este envía una
solicitud de suministro al enrutador, correspondiente a la cantidad de
potencia necesaria, la calidad de potencia requerida, el número de
identificación del aparato, la prioridad de las solicitudes, y así
sucesivamente.
Para lograr esto, el sistema está compuesto
por una terminal de información y por el enrutador de potencia (Figura 4). De
esta manera, el enrutador recibe la información por medio de un protocolo de
comunicación (por ejemplo Power Line Communications - PLC) y posteriormente
selecciona una fuente de energía eléctrica adecuada a las características de la
carga [6]. Esto implica que el sistema esta administrado de forma centralizada,
permitiendo que las cargas que incorporan baterías tengan un suministro de
potencia relativamente de baja calidad. Mientras que, por el contrario, la
energía eléctrica comercial de alta calidad se suministra preferiblemente a
cargas o equipos importantes, tales como instrumentos médicos, que no tienen la
tolerancia a la caída de tensión momentánea. Así, el equipo de enrutamiento
decide utilizar fuentes de energía renovables tanto como sea posible [6].
5. CONMUTADOR INTELIGENTE DE POTENCIA
En [29] es presentado el concepto de la red
eléctrica del futuro; proponiendo una innovadora arquitectura de energía
eléctrica que integra funcionalidades tanto de Internet como de las
micro-redes. El componente principal de esta arquitectura es un conmutador
inteligente de potencia (Intelligent Power Switch, IPS) que combina las
capacidades de un enrutador de Internet con la conversión de energía eléctrica
y la protección de equipos [29].
Figura 5. Integración del conmutador
inteligente de potencia y la sub-medición por circuito. Fuente.
Elaboración. propia.
La Figura 5 se presenta un sistema de
gestión que integra el conmutador inteligente de potencia y la sub- medición
por circuito. Se observa que el IPS es un dispositivo que puede re-direccionar
el flujo de energía eléctrica de un puerto a otro, y respecto
a su funcionamiento, actúa como un enrutador de energía eléctrica por medio
de su etapa de potencia. Además, está equipado con una etapa de control, otra
de comunicación inalámbrica y/o cableada y como se muestra en la Figura 5, es
posible conectarlo con diferentes fuentes de energía (incluidas las fuentes
renovables), electrodomésticos inteligentes, almacenamiento de energía, medidores
inteligentes y también otros IPS.
Figura 6. Esquema interno del conmutador
inteligente de potencia. Fuente. [30].
Figura 7. Esquema interno del conmutador
inteligente de
potencia. Fuente. Elaboración propia
El propósito de un IPS es conmutar la
energía eléctrica de un puerto a otro, es decir que cualquier componente
conectado al IPS puede estar conectado otro, o al mismo tiempo múltiples
puertos pueden ser conectados juntos [30]. Esto significa que, si se tienen dos
fuentes de energía eléctrica, A y B, y dos cargas eléctricas, C y D, A puede
proveer energía eléctrica a C y B puede suministrar energía eléctrica a D
paralelamente. Para lograr este objetivo, el IPS usa el diseño presentado en la
Figura 6, en el cual son utilizados quince interruptores para controlar seis
puertos [30].
En caso de ser requeridos más puertos, la
cantidad de switches es calculada por la Ecuación 1, dónde NS es el número de
puertos y NS el número de switches necesarios para el IPS [30].
6. SUB-MEDICIÓN POR CIRCUITO
Con estos sistemas se busca brindar
información más detallada y en tiempo real del consumo de energía eléctrica de
cada sector de la vivienda, lo cual en conjunto con el conmutador inteligente
de potencia (Figura 5), hacen posible la implementación de programas de gestión
energética y uso racional de la energía que permitan la reducción del consumo y
los costos económicos.
Igualmente, dentro de la guía para el
ahorro de agua y energía en edificaciones presentada en [16] y [17], la sub- medición
por circuito es planteada como una medida pasiva que busca mejorar la
eficiencia de las edificaciones, ayudando al usuario a entender la distribución
del consumo de energía y proveer suficiente información sobre cual
comportamiento de acción/corrección de conservación de energía debe aplicarse.
En la Figura 7 se observa la diferencia
entre una medida convencional y la realizada por medio de la sub-medición por
circuito. Para esto, la recolección de los datos se realiza mediante
dispositivos de sub-medida independientes, adicionales a los provistos por las
compañias de distribución de energía, uno por circuito ramal [31]. Estos
dispositivos electrónicos tienen además de su módulo de medición de energía
eléctrica, un módulo de comunicación que perite su monitorización y control
desde el concentrador de la Smart Home.
7. METODOLOGÍA
Para el desarrollo del artículo se utiliza
la topología del sistema de distribución residencial presentada en la Figura 8.
Se observa la presencia de un conmutador inteligente de potencia de cuatro
puertos, en donde dos de estos puertos son conectados a fuentes de tensión
independientes (la red comercial y una segunda fuente que puede ser un sistema
fotovoltaíco u otro) de las cuales es posible conocer su disponibilidad de
potencia y la potencia suministrada o recibida de cada una de estas por medio
de medidores inteligentes y/o protocolos de comuicación inalambrica o cableada.
Figura 8. Topología del sistema de
distribución residencial para la integración del conmutador inteligente de
potencia y la sub-medición por circuito. Fuente. Elaboración propia.
Adicionalmente, los dos puertos restantes
del IPS son conectados a dos circuitos ramales, los cuales cuentan con un
medidor inteligente y una carga resistiva para cada uno. Es importante resaltar
que la comunicación de los medidores inteligentes con el IPS se realizada por
medio del protocolo Wifi, incorporando el concepto del internet de las cosas
(Internet of Things, IoT).
7.1 Implementación
Con base en la topología propuesta, en la
Figura 9 se presenta el diagrama esquemático de la implementación del IPS de
cuatro puertos realizado. De manera general, el IPS puede ser dividido en dos
componentes principales: el primero es el sistema embebido, que en este caso es
la tarjeta de desarrollo Raspberry Pi, y un segundo componente, que es la etapa
de electrónica de potencia o switches de potencia.
7.1.1 Sistema embebido.
Es el encargado de brindar al IPS las
funcionalidades de comunicación y control. Para esto, es posible hacer uso de
protocolos de comunicación inalámbrica como el Bluetooth o el Wifi, o
protocolos cableados como el UART, el I2C, el SPI o el USB para intercambiar
información con las fuentes de energía, las cargas, otro IPS, la red comercial y
los usuarios. De esta manera, es posible conocer la información relacionada con
la demanda de las cargas, la capacidad de energía que pueden suministras las
fuentes y la tarifa de la energía eléctrica. Esta información es importante ya
que son los parámetros de entrada para el algoritmo de control encargado de la
apertura o cierre de los switches de la etapa de potencia. Adicionalmente, es
posible enviar información al proveedor del servicio y a los usuarios por medio
de la conexión a internet.
Figura 9.
Esquema interno del conmutador inteligente de potencia. Fuente.
Elaboración propia.
7.1.2 Electrónica de potencia.
Su función es permitir la conmutación de la
energía eléctrica de un puerto a otro, es decir que cualquier componente
conectado al IPS puede estar conectado otro, o al mismo tiempo múltiples
puertos pueden ser conectados entre si.
8. EXPERIMENTOS Y RESULTADOS
Se presentan cuatro escenarios de conexión
que permiten evidenciar el funcionamiento del sistema propuesto. Para esto, se
analiza el comportamiento de la tensión en las cargas, teniendo como referencia
el patrón de conmutación utilizado para cada uno de las pruebas.
Para la realización de los experimentos son
utilizadas dos fuentes de tensión de 120 V, 60 Hz desfasadas 120° entre sí
(Figura 10) y dos cargas resistivas (luminarias halógenas) con un consumo de
potencia de 70 W cada una.
Teniendo en cuenta que para la etapa de
electrónica de potencia del IPS se utilizaron alternistores, se debe asegurar
que al momento de realizar una conmutación entre puertos, los switches deben
desconectarse de forma natural (señal de bajo en el gate y cruce por cero de la
corriente), ya que de no ser así, se puede presentar la circulación de
corrientes muy elevadas (de corto circuito) que pueden acortar la vida útil del
IPS o su destrucción. Esto puede suceder cuando se conectan fuentes de tensión
desfasadas entre sí o por el manejo de cargas RL con diferente factor de
potencia.
Para evitar esta situación, se propone el
uso de optotriacs sincronizados con la red (cruce por cero) y la adición de
tiempos de retardo de conexión equivalentes a medio ciclo de onda del periodo
de la red, de esta manera, se busca permitir que los alternistores en uso
puedan abrirse de forma natural y posteriormente proceder con la activación de
los switches pertinentes.
Figura 10.
Desfase de 120° entre las dos fuentes de energía utilizadas como entradas
del IPS. Fuente. Elaboración propia.
A continuación, se presentan los escenarios
de con- mutación realizados:
8.1 Intercambio en la fuente de alimentación de las cargas
En la Tabla 2 se muestra el patrón de
conexión utilizado, evidenciando que se realiza un intercambio en la fuente de
alimentación de las cargas.
Tabla 2. Conmutación de las cargas en
Figura 11.
|
Etapa de la conmutación
|
Fuente 1
|
Fuente 2
|
|
Antes
|
Carga 1
|
Carga 2
|
|
Después
|
Carga 2
|
Carga 1
|
Fuente.
Elaboración propia.
De acuerdo con la Tabla 2 y la Figura 11,
se observa que antes de la señal de desconexión, cada una de las cargas se
encuentra alimentada de forma independiente; es decir, la carga 1 está siendo
alimentada por la fuente 1 (onda azul) y la carga 2 está conectada con la
fuente 2 (onda amarilla).
Al momento de dar la señal de desconexión
se observa que la conmutación no se realiza de forma inmediata,siendo necesario
esperar al siguiente cruce por cero de las señales de tensión (la tensión y la
corriente están en fase debido a que las cargas son resistivas) para que los
switches del IPS se abran de forma natural. Para esto es importante dar un
tiempo de espera de por lo menos medio ciclo de onda, con el fin de tener la
certeza
Figura 11. Tensión en las cargas al
realizar la conmutación descrita en la Tabla I. Fuente. Elaboración propia.
8.2 Cargas alimentadas por fuentes independientes a cargas
alimentadas
simultaneamente por la misma fuente
En la Tabla 3. se muestra el patrón de
conexión utilizado, mostrando que antes de la conmutación cada una de las
cargas está alimentada por fuentes independientes y como después de la
conmutación las dos cargas pasan a ser alimentadas de forma simultanea por una
sola fuente.
Tabla 3 Conmutación de las cargas en
Figura 12.
|
Etapa de la conmutación
|
Fuente 1
|
Fuente 2
|
|
Antes
|
Carga 2
|
Carga 1
|
|
Después
|
--
|
Carga 1 y 2
|
Fuente. Elaboración propia.
En la Figura 12 se evidencia nuevamente la
importancia del tiempo de espera entre la señal de desconexión y conexión de
los aternistores, ya que debido al desfase de las fuentes, ante una conexión
inadecuada de los switches se pueden producir corrientes muy elevadas o daños
en los equipos.
Así mismo, este escenario de conexión es un
caso que se puede dar en la práctica cuando una de las fuentes queda fuera de
operación (por una falla, reparación o cualquier otro motivo); permitiendo que
el sistema siga operando de forma normal, si las fuentes que aún se
encuentran disponibles cuentan con la capacidad suficiente para cubrir la
demanda de las cargas.
potencia suficiente para todo el sistema,
se le puede dar prioridad a las cargas más importantes o delicadas.
8.3 Cambio en la fuente de alimentación
de las
cargas
Para este escenario de conexión es
utilizado el patrón mostrado en la Tabla 4, permitiendo observar que antes de
la conmutación las dos cargas son alimentadas de forma simultanea por la fuente
uno y después de la conmutación las dos cargas pasan a ser alimentadas de forma
simultanea por la fuente dos (Figura 13).
Tabla 4 Conmutación de las cargas en
Figura 13.
|
Etapa de la conmutación
|
Fuente 1
|
Fuente 2
|
|
Antes
|
--
|
Carga 1 y 2
|
|
Después
|
Carga 1 y 2
|
--
|
Fuente. Elaboración propia.
Con este caso de estudio se pretende
mostrar la flexibilidad y las funcionalidades del sistema para responder ante
diferentes condiciones de operación. El intercambio de las cargas de la fuente
uno a la fuente dos es un escenario que en la práctica se puede dar cuando
queremos migrar cargas de una fuente convencional a otra de características
renovables (sistemas fotovoltaicos, turbinas eólicas, vehículo eléctrico,
etc.), con el fin de buscar un ahorro económico.
De igual forma que en el ejemplo presentado
en el numeral 8.2, el cambio en la fuente de alimentación de las cargas se
puede dar cuando una de las fuentes queda fuera de operación y es necesario
mantener en operación total o parcial el sistema.
Figura 13. Esquema interno del
conmutador inteligente de potencia. Fuente. Elaboración propia.
8.4 Experimento 4
El patrón de conexión utilizado para este
caso de estudio es presentado en la Tabla 5, en la cual se muestra que antes de
la conmutación las cargas son alimentadas de forma simultanea por la fuente uno
y después de la conmutación, cada una de las cargas pasa a ser alimentada por
una fuente independiente (Figura 14).
Tabla 5.Conmutación de las cargas en
Figura 14.
|
Etapa de la conmutación
|
Fuente 1
|
Fuente 2
|
|
Antes
|
Carga 1 y 2
|
--
|
|
Después
|
Carga 1
|
Carga 2
|
Fuente. Elaboración propia.
Al igual que en los casos anteriores, en la
Figura 14 se observa que el tiempo de espera durante la conmutación es
importante para evitar conexiones que puedan producir corrientes de corto
circuito o daños en el sistema.
Figura 14. Esquema interno del
conmutador inteligente de potencia. Fuente. Elaboración propia.
Este escenario de conexión se puede
presentar en la práctica si una de las fuentes no está en capacidad de
suministrar la totalidad de la potencia requerida por las cargas; para lo
cual, es posible migrar parte del exceso de carga de la fuente uno a una
segunda fuente con capacidad de suministro disponible.
9. CONCLUSIONES
Este artículo presenta la sub-medición por
circuito y el conmutador inteligente de potencia como herramientas para la
gestión energética en un hogar inteligente. Para esto se analiza el
comportamiento de la tensión de las cargas conectadas al IPS ante diferentes
escenarios de operación. De igual forma, debido al desfase de las fuentes de
energía se propone el uso de optotriacs con cruce por cero y la adición de
tiempos de espera en la conexión de los alternistores del IPS.
Los resultados experimentales muestran que
el sistema propuesto tiene potencial como herramienta de gestión energética
residencial, permitiendo controlar el flujo de energía entre las diferentes
fuentes de energía (convencionales y renovables) y las cargas de una vivienda.
Igualmente, se evidencia que el uso de un
tiempo de espera de medio ciclo de onda del periodo de la red permite que los
alternistores tengan una desconexión (apertura) natural, lo cual es posible
debido que durante el tiempo de espera la corriente llegue a su cruce por cero.
Es importante resaltar que debido a que las cargas utilizadas son netamente
resistivas, las señales de corriente y tensión se encuentran en fase. Sin
embargo, al momento de usar cargas inductivas el tiempo de desconexión puede
cambiar dependiendo de su factor de potencia.
Colombia ha realizado avances
significativos en el contexto legal, normativo y reglamentario para la
integración de las redes inteligentes en el sistema eléctrico nacional.
Fomentando la investigación en temáticas como la gestión energética residencial
y el IoT, permitiendo el desarrollo y la mejora del sistema energético.
Adicionalmente, el progreso en esta temática es importante, ya que abre la
puerta a diversos escenarios como la integración de la tarifa diferencial, la
generación distribuida, la gestión de la demanda y en general fomenta la
gestión y el uso racional y eficiente de la energía eléctrica.
La integración del conmutador inteligente
de potencia en un hogar inteligente permite administrar los recursos
energéticos de la vivienda y controlar el flujo de energía entre las diferentes
fuentes y cada uno de las cargas, con el fin de reducir y optimizar el consumo
de potencia, así como disminuir la compra de energía de la red pública. De esta
manera, es posible contribuir con la reducción de la demanda de energía del
país, apoyar el desarrollo de las redes inteligentes y fomentar el uso de
fuentes renovables de energía eléctrica.
La sub-medición de energía eléctrica por
circuito ramal es un componente importante del sistema de gestión que permite
brindar información adicional a los usuarios en busca de mejorar hábitos de
consumo y lograr una adecuada gestión energética. A partir de esta información,
es necesario desarrollar herramientas intuitivas y amigables para presentar la
información al usuario y permitir la monitorización y control de las diversas
aplicaciones del hogar.
10. RECOMENDACIONES
Como trabajo futuro se espera disminuir el
tiempo de espera en las conmutaciones, para lo cual se plantea la utilización
de un sistema que permita detectar el desfase entre las fuentes por medio de
las señales de tensión y corriente.
De la misma manera, se propone el uso de
fuentes no convencionales de energía que se puedan sincronizar con la red, esto
con el fin de poder inyectar energía a la red y/o para poder conectar
simultáneamente dos o más fuentes y de esta forma satisfacer la demanda
requerida por las cargas.
Igualmente, se sugiere la realización de
pruebas con cargas inductivas para estudiar el comportamiento transitorio de la
corriente al momento de las conexiones y desconexiones.
Finalmente, se sugiere la implementación un
piloto en una vivienda familiar, con el fin de identificar el potencial de
ahorro energético que se puede dar con la integración del IPS y la sub-medición
por circuito.
11. REFERENCIAS
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tico: lo que esta´ en juego”. Foro Nacional Ambiental, 2009.
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intergubernamental de expertos sobre el cambio climático.”
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prevention and a smart meter based approach to control theft”, Energy Policy,
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Proceedings of the 1998 International Conference on Energy Management and Power
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