Design of a Resilient and Eco-friendly Microgrid for a Commercial Building

Recent natural disasters such as hurricanes Harvey and Maria have caused great disruption to the electric grid system. Additionally, government authorities have set ambitious goals to reduce greenhouse gas emissions. Thus, there is a growing interest in making the electric power systems more resilient while reducing their carbon footprint. In this work, a methodology to design a resilient and eco-friendly microgrid is presented. First, the input parameters of the model are defined; second, simulation of different microgrid configurations are performed in HOMER Grid software; third, the outputs of the model are analyzed; and finally, a microgrid configuration is selected based on economic, environmental, and resilience criteria. The considered microgrids consist of PV, battery, natural gas generator, and the electric load of an office building that consumes an average of 2 MWh per day. Different component sizes were used to determine the configuration with the lowest generator size to provide power during a two-day outage in the summer peak load. Environmental and economic analysis were performed to show the tradeoffs between different system design goals. The results indicate that installing a microgrid in an office building with a 600 kW PV array and 2.8 MWh lithium-ion battery can avoid the release of up to 287 tons of CO2 per year. The same microgrid configuration can endure a two-day blackout during the highest electric demand in the hurricane season without the need of a polluting backup generator. From this study, it was concluded that the optimal microgrid configuration depends on specific needs. Additionally, based on current technology costs, large PV systems with small batteries are economically more attractive than the base case configuration.Los desastres naturales recientes, como los huracanes Harvey y María, han causado una gran interrupción en la red eléctrica. Por otra parte, las autoridades gubernamentales se han fijado metas ambiciosas para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, existe un interés creciente en hacer que los sistemas de energía eléctrica sean más resilientes y con un impacto mínimo al medio ambiente. En este trabajo, se utilizó el software HOMER Grid para modelar microrredes que se contienen sistemas fotovoltaicos, baterías de ión-litio, generadores de gas natural y la carga eléctrica de un edificio de oficinas que consume un promedio de 2 MWh por día. Se modificaron los tamaños de los componentes para determinar la configuración con el generador más pequeño que pudiera suministrar energía durante un corte de energía de dos días en verano. Se realizaron análisis ambientales y económicos para mostrar las diferencias entre los diferentes objetivos de diseño del sistema. Los resultados indican que la instalación de una microrred en un edificio de oficinas con un arreglo fotovoltaico de 600 kW y una batería de ión-litio de 2.8 MWh puede evitar la emisión de hasta 287 toneladas de CO2 por año. La misma configuración de microrred puede soportar un apagón de dos días durante la mayor demanda eléctrica en la temporada de huracanes sin la necesidad de un generador de respaldo. Las microrredes jugarán un papel importante en la transición a una red inteligente porque proporcionan energía confiable, hacen que el sistema sea más tolerante a fallas de la red y permiten una alta penetración de energía renovable en la red eléctrica, lo que en consecuencia reduce el impacto ambiental

Estudio de alternativas de sistemas fotovoltaicos para la Aeronáutica Civil en el Aeropuerto Camilo Daza

Considering the growing adoption and success of photovoltaic systems in the industry, this paper studied the conditions, cost, and benefits of implementing two alternatives of these systems. A grid-tied photovoltaic system, and a hybrid grid-tied photovoltaic system with batteries, for the Civil Aeronautic technical support building, located in the Camilo Daza Airport. For this, information related to meteorological conditions and electric load profiles were compiled. Then, the systems were designed and simulated with HOMER Grid and PVSyst software. Finally, the benefits and costs for each case were evaluated by analyzing the Net Present Cost and the payback period. As a result, implementing the grid-tied photovoltaic system is more profitable, due to its Net Present Cost of $63.910.000 COP and a payback period of 6 years, while the alternative system has a net present value of$12.800.000 COP and 12 years of payback period. On the other hand, by implementing the hybrid system, the building would have backup power for the lighting during an outage which represents an important technical advantage for this system.Considerando el gran desarrollo y aceptación que ha tenido la implementación de sistemas fotovoltaicos como soluciones en el sector empresarial, en este trabajo se estudiaron las condiciones, costos y beneficios de implementar dos alternativas de sistemas fotovoltaicos en el edificio de soporte técnico de la Aeronáutica Civil en el Aeropuerto Camilo Daza. Un sistema fotovoltaico conectado a la red, y un sistema fotovoltaico híbrido con baterías para la iluminación. Para esto, se recopiló información acerca de las condiciones meteorológicas, el consumo eléctrico en el edificio, se realizaron diseños y simulaciones en HOMER Grid y PVSyst. Finalmente se evaluaron los beneficios y costos para cada caso, mediante el análisis del valor presente neto y el retorno de la inversión. Como resultado, se obtiene que el sistema fotovoltaico conectado a la red es más rentable, ya que presentó un valor presente neto de $63.910.000 COP y un retorno de inversión de 6 años, mientras que el sistema alterno solo registró un valor presente neto de$12.800.000 COP y 12 años de retorno de inversión. Sin embargo, implementar el sistema híbrido permitiría al edificio contar con electricidad para la iluminación en casos de cortes de energía, lo que representa una gran ventaja técnica frente al otro sistema

Sistema de monitorización de contaminación ambiental alimentado con energía solar fotovoltaica para una estación de autobús

Para incentivar y mejorar el uso de las estacionesde autobuses, se ha  realizado el diseño de un sistema ecológico y tecnológico en el cual, por medio de sensores, se miden las variables climatológicas de humedad, temperatura, ruido, nivel de rayos ultravioleta y de gas carbónico. Estos parámetros son adquiridos por un microcontrolador para su posterior envío al sistema embebido Raspberry Pi 3, que procesa la información y genera la interfaz gráfica compuesta de cinco ventanas que se visualizan secuencialmente en una pantalla LED. La energía requerida para el funcionamiento de los dispositivos electrónicos es de 3922,4 Wh/día, y será suministrada por un sistema fotovoltaico autónomo. Con el uso del software PVsyst se ha validado el diseño del sistema FV obteniendo una energía anual de 1172 kWh

Experimentación de controladores digitales clásicos en un sistema embebido aplicado en un proceso térmico

This research project shows the implementation of classic digital controllers in an embedded system to control the temperature of a thermal system. The embedded system selected was in the computer board Raspberry Pi 2 B+ together with an ONE Arduino board. In the measurement stage the hardware was developed for to transmit the temperature data from the PT-100 thermometer resistance towards the Raspberry PI. For the implementation of the computational stage was developed an algorithm for the different controllers and based on this the controllers were programmed in Python 2.7. For the actuator a power stage was designed that converts the ac voltage into a voltage dc, from a PWM signal. This dc voltage is used to feed a thermal resistance that is responsible for executing the control action of the system. With the implementation of the types of controllers, a comparative analysis was realized highlighting the most relevant characteristics for each type of controller and allowing to also evaluate the performance of the Raspberry Pi. Based on the results obtained in the execution of the project, it concluded the feasibility to control thermal systems under different types of controllers embedded in the Raspberry Pi and with the possibility of developing intelligent control strategies for futures projects, through the use of software tools and free hardware.Este proyecto de investigación muestra la implementación de controladores digitales clásicos dentro de un sistema embebido para controlar la temperatura de un sistema térmico. El sistema embebido seleccionado fue el computador de placa reducida Raspberry Pi 2 B con una tarjeta Arduino UNO. En la etapa de medición se desarrolló el hardware para transmitir los datos de la temperatura desde el transductor PT-100 hacia la Raspberry Pi. Para la etapa de computacional se desarrollaron diferentes algoritmos de los controladores en la plataforma Python 2.7. Para el actuador se diseñó una etapa de potencia que convierte el voltaje ac en un voltaje dc, de acuerdo a una señal PWM. Este voltaje dc se utiliza para alimentar una resistencia térmica encargada de ejecutar la acción de control del sistema. Con el desarrollo de este tipo de controladores se realizó un análisis comparativo destacando las características más relevantes del sistema para cada tipo de controlador y permitiendo evaluar también el rendimiento de la Raspberry Pi. Con base en los resultados obtenidos en la ejecución del proyecto, se concluye que es viable controlar sistemas térmicos bajo diferentes tipos de controladores embebidos en la Raspberry Pi y con la posibilidad de desarrollar estrategias de control inteligente para futuros proyectos, con la ventaja de usar herramientas de software y hardware libre

Experimentación de controladores digitales clásicos en un sistema embebido aplicado en un proceso térmico

This research project shows the implementation of classic digital controllers in an embedded system to control the temperature of a thermal system. The embedded system selected was in the computer board Raspberry Pi 2 B+ together with an ONE Arduino board. In the measurement stage the hardware was developed for to transmit the temperature data from the PT-100 thermometer resistance towards the Raspberry PI. For the implementation of the computational stage was developed an algorithm for the different controllers and based on this the controllers were programmed in Python 2.7. For the actuator a power stage was designed that converts the ac voltage into a voltage dc, from a PWM signal. This dc voltage is used to feed a thermal resistance that is responsible for executing the control action of the system. With the implementation of the types of controllers, a comparative analysis was realized highlighting the most relevant characteristics for each type of controller and allowing to also evaluate the performance of the Raspberry Pi. Based on the results obtained in the execution of the project, it concluded the feasibility to control thermal systems under different types of controllers embedded in the Raspberry Pi and with the possibility of developing intelligent control strategies for futures projects, through the use of software tools and free hardware.Este proyecto de investigación muestra la implementación de controladores digitales clásicos dentro de un sistema embebido para controlar la temperatura de un sistema térmico. El sistema embebido seleccionado fue el computador de placa reducida Raspberry Pi 2 B con una tarjeta Arduino UNO. En la etapa de medición se desarrolló el hardware para transmitir los datos de la temperatura desde el transductor PT-100 hacia la Raspberry Pi. Para la etapa de computacional se desarrollaron diferentes algoritmos de los controladores en la plataforma Python 2.7. Para el actuador se diseñó una etapa de potencia que convierte el voltaje ac en un voltaje dc, de acuerdo a una señal PWM. Este voltaje dc se utiliza para alimentar una resistencia térmica encargada de ejecutar la acción de control del sistema. Con el desarrollo de este tipo de controladores se realizó un análisis comparativo destacando las características más relevantes del sistema para cada tipo de controlador y permitiendo evaluar también el rendimiento de la Raspberry Pi. Con base en los resultados obtenidos en la ejecución del proyecto, se concluye que es viable controlar sistemas térmicos bajo diferentes tipos de controladores embebidos en la Raspberry Pi y con la posibilidad de desarrollar estrategias de control inteligente para futuros proyectos, con la ventaja de usar herramientas de software y hardware libre

Controladores difuso y PID en un proceso térmico con supervisión inalámbrica usando tecnologías android y arduino

In the process of water purification for human consumption, the control of the temperature contributes to its health and hygiene. The goal of this study was to compare the performance of a traditional controller with a fuzzy controller for this case study. The control strategies were designed and simulated in Matlab® software, and they were implemented in Atmega microcontroller of Arduino; in both cases, simulation and empirical setup, we considered the settling time, overshoot and steady state error to compare the controllers. The fuzzy controller eliminated the overshoot and reduced the settling time by 76 % in simulation, in comparison to the PID controller. In the experimental data, the fuzzy controller did not show overshoot and decreased the settling time by 28 % with respect to the other controller. The steady state error was zero in both controllers for simulation and for the empirical setup.  The fuzzy controller was faster and more stable, for this reason, we concluded that this control strategy is appropriate to regulate the temperature in this process.En el proceso de purificación de agua para el consumo humano, controlar la temperatura contribuye con su salubridad e higiene; por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue comparar el rendimiento de un controlador tradicional con uno difuso. Las estrategias de control se diseñaron y simularon en la herramienta computacional Matlab®, y se implementaron en el microcontrolador Atmega de Arduino; en ambos casos, simulación y experimentación, se consideraron el tiempo de asentamiento, la sobreelongación y el error en estado estable para comparar los controladores. El controlador difuso con respecto al controlador PID, en la simulación eliminó la sobreelongación y redujo el tiempo de asentamiento en un 76 %, y en la experimentación no generó sobreelongación y disminuyó en un 28 % el tiempo de asentamiento. El error en estado estable fue cero para los dos controladores en la simulación y la experimentación. El controlador difuso fue más estable y rápido; concluyendo que esta estrategia es la apropiada para regular la temperatura en este proceso

Viabilidad técnico-económica de un sistema fotovoltaico en una planta de tratamiento de agua

Introducción: Los sistemas de iluminación basados en vapor de sodio y vapor de mercurio son ineficientes y conllevan a un mayor consumo de energía eléctrica. La iluminación LED representa una alternativa atractiva para disminuir el consumo de electricidad. Por otra parte, los sistemas fotovoltaicos están siendo utilizados como una fuente de energía renovable para reducir las emisiones de dióxido de carbono, pero su implementación también depende del beneficio económico. Objetivo: El propósito de este estudio fue evaluar la viabilidad técnica y económica de implementar un sistema fotovoltaico para optimizar un circuito de iluminación, el cual pertenece a una planta de tratamiento de agua Metodología: Se analizaron las configuraciones fotovoltaicas autónoma y conectada a red. Se analizó el circuito actual y se determinó su equivalente LED. Con base en el nuevo circuito de iluminación, se dimensionó el sistema autónomo, el cual deberá garantizar energía durante tres días en ausencia total de sol. Se tomó la nueva potencia de consumo del circuito con iluminación LED para dimensionar el sistema fotovoltaico que inyectará energía a la red de la planta. Los dos escenarios posibles son evaluados a través de la herramienta PVsyst, que permite establecer parámetros como la evaluación económica. Resultados: Aunque el cambio de luminarias reduce el costo de funcionamiento en un 50 %, el sistema autónomo es inviable debido al alto costo de inversión inicial; mientras que el sistema conectado a la red es viable, con una tasa de retorno de inversión más elevada que la establecida por la empresa. Conclusiones: El cambio de luminarias a tecnología LED es una decisión acertada para la empresa. En cuanto al sistema fotovoltaico conectado a la red, puede ser atractivo si se consideran los incentivos tributarios y la reciente reglamentación de los generadores a pequeña escala en Colombia.Introduction− Illumination systems based on sodium and mercury vapor lamps are inefficient and consume a big amount of electrical energy. LED lamps represent an attractive alternative to decrease electricity consump-tion. On the other hand, photovoltaic systems are being utilized as a renewable energy source to reduce CO2 emis-sions, but their implementation also depends on economic considerations.Objective−This study aims to demonstrate the techni-cal and economic feasibility of implementing a photovoltaic system to optimize the illumination circuit of a water treat-ment plant. Methodology−Two possibilities options were considered: off-grid and grid-tied systems. The current illumination cir-cuit was analyzed and the LED equivalent circuit was cal-culated. Based on the new illumination circuit, a photovol-taic off-grid system was sized to power the LED luminaires during three consecutive days without sunlight. Likewise, a grid-tie system was designed to power the proposed LED illumination circuit. Both scenarios were evaluated by us-ing PVsyst software, which allows establishing parameters for an economic assessment. Results− Although changing luminaires reduces the op-erating cost by 50 %, the off-grid system is infeasible due to the high initial investment cost, meanwhile the grid-tie system is feasible, with a rate of return that is lower than the one allowed by the company.Conclusions−Changing the current illumination system to LED technology is an economically-wise decision for the company. Regarding the PV grid-tie system, it can be eco-nomically attractive if the tax credits and the recent regula-tion for small-scale generators in Colombia are considered

Diseño de una red de sensores inalámbricos para el despliegue óptimo de los nodos sensores en un cultivo de Cacao

In this study, factorial experiments were conducted in two different scenarios to design a Wireless Sensor Network for monitoring a cocoa crop in a rural area in Colombia. Node sensors measured temperature, relative humidity, soil moisture, Ultra-Violet light, and visible light intensity. The factors considered in the experiments were distance between node sensors, height from the ground, and type of antenna; in turn, Received Signal Strength Indicator and data transfer time were the outputs. The wireless sensor network was deployed in the crop, covering approximately 3 % of the area and using 7 different nodes in a cluster tree topology. First, an open field scenario with line of sight was used to determine the appropriate height of the node sensors. Second, a scenario in the actual cocoa crop was utilized to find the appropriate distance between modules and type of antenna. We found, based on our calculations and experimental data, that a height of 1.25 m was required to avoid the Fresnel zone and improve the RSSI of the network. Furthermore, we determined that a distance below 35 m was needed to guarantee signal reception and avoid long data transfer times. The wire antenna exhibited a better performance. Finally, the proposed methodology and monitoring system can be used for agronomic applications in rural areas in Colombia to increase crop yield.En este trabajo se realizaron experimentos factoriales en dos escenarios diferentes, para diseñar una red de sensores inalámbricos, que permita monitorear un cultivo de cacao en una zona rural de Colombia. Los nodos sensores miden la temperatura, la humedad relativa, la humedad del suelo, la luz ultravioleta y la intensidad de la luz visible. Los factores considerados en los experimentos fueron la distancia entre los nodos sensores, la altura con respecto al suelo y el tipo de antena; el indicador de intensidad de señal recibida y el tiempo de transferencia de datos fueron las salidas. La red de sensores inalámbricos se implementó en el cultivo, cubriendo aproximadamente el 3 % del área, utilizando 7 nodos diferentes en una topología de cluster-tree. En primer lugar, se utilizó un escenario de campo abierto con línea de vista para determinar la altura adecuada de los sensores de nodo. Luego, se utilizó un escenario en el cultivo de cacao real para encontrar la distancia adecuada entre los módulos y el tipo de antena. Se obtuvo, por cálculos y datos experimentales, que se requería una altura de 1.25 m para evitar la zona de Fresnel y mejorar el RSSI de la red. Además, se determinó que se necesitaba una distancia inferior a 35 m para garantizar la recepción de la señal y evitar largos tiempos de transferencia de datos. Adicionalmente, la antena tipo Wire exhibió un mayor rendimiento y la metodología propuesta y el sistema de monitoreo se pueden usar para aplicaciones agronómicas en áreas rurales de Colombia, con el fin de aumentar el rendimiento de los cultivos