Diseño de sistema de gestión de energía basado en tarifa horaria y estado de carga de batería

Abstract

El aumento de la demanda energética es una de las problemáticas presente a nivel mundial, que supera la capacidad de generación de las centrales eléctricas, como las de Colombia, ocasionando problemas de estabilidad del flujo energético que usan hogares e industrias, representando afectaciones en la calidad de vida y pérdidas económicas. El gobierno nacional Colombia apuesta por estrategias como el desarrollo de sistemas fotovoltaicos y esquemas de tarifa horaria, sin embargo, la base de la energía fotovoltaica, la irradiancia solar, no está disponible para su uso en las horas en las que se dispara el consumo energético y, por otra parte, aunque se han propuesto algunos esquemas de tarifa horaria, hasta el momento ninguno ha sido implementado, esto mientras la demanda crece constantemente. El presente trabajo de grado se enfoca en el diseño, en entorno simulado de un sistema de gestión de energía que integra energía fotovoltaica, almacenamiento mediante baterías y conexión a la red eléctrica bajo una lógica de control que toma decisiones en función del estado de carga (SoC) de la batería, la irradiancia solar disponible y la franja horaria. Las pruebas de funcionamiento del sistema se llevaron a cabo en un entorno de simulación utilizando la herramienta Simulink de MATLAB. Se plantearon dos escenarios para analizar el comportamiento del sistema ante variaciones en la irradiancia solar y el estado de carga (SOC) de la batería. La irradiancia se ajustó 0,3 y 1,2 kW/m², en ambos casos. El primer escenario corresponde a un día parcialmente nublado con un SoC inicial del 50% mientras que el segundo representa un día mayormente despejado con un SoC inicial del 20%, cifras que representan condiciones críticas y permiten evaluar el comportamiento del sistema, que establece un límite mínimo del 20% para proteger la vida útil de la batería. Se registraron corrientes de carga de hasta -100 A, correspondientes al proceso de carga de la batería. En horas punta establecidas, la batería se descarga suministrando energía a la carga, evitando el gasto de aproximadamente 7.572 COP. Adicionalmente, al vender parte de la energía a la red, se obtiene un ingreso extra que representa un 15,6 % adicional respecto al ahorro logrado. Alcanzando un beneficio económico equivalente al 115,6 % con respecto al valor que se habría pagado por la energía comprada, lo que demuestra la eficiencia del sistema tanto en reducción de costos como en generación de ingresos.

The increase in energy demand is one of the problems facing the world today, exceeding the generation capacity of power plants, such as those in Colombia, causing problems with the stability of the energy flow used by households and industries, affecting quality of life and causing economic losses. The Colombian national government is committed to strategies such as the development of photovoltaic systems and time-of-use pricing schemes. However, the basis of photovoltaic energy, solar irradiance, is not available for use during peak energy consumption hours. Furthermore, although some time-of-use pricing schemes have been proposed, none have been implemented to date, while demand continues to grow steadily. This thesis focuses on the design, in a simulated environment, of an energy management system that integrates photovoltaic energy, battery storage, and connection to the electrical grid under a control logic that makes decisions based on the state of charge (SoC) of the battery, the available solar irradiance, and the time slot. System performance tests were carried out in a simulation environment using simulink Matlab tool. Two scenarios were considered to analyze the system's behavior in response to variations in solar irradiance and battery state of charge (SOC). Irradiance was set to 0.3 and 1.2 kW/m² in both cases. The first scenario corresponds to a partly cloudy day with an initial SOC of 50%, while the second represents a mostly clear day with an initial SOC of 20%. These figures represent critical conditions and allow for the evaluation of the system's behavior, which sets a minimum limit of 20% to protect the battery's useful life. Charging currents of up to -100 A were recorded, corresponding to the battery charging process. At established peak hours, the battery discharges by supplying energy to the load, avoiding an expense of approximately 7,572 COP. Additionally, by selling part of the energy to the grid, extra income is obtained, representing an additional 15.6% on top of the savings achieved. This results in an economic benefit equivalent to 115.6% of the value that would have been paid for the purchased energy, demonstrating the system's efficiency in both cost reduction and revenue generation.