Análisis computacional del calentamiento híbrido de una configuración heterogénea de núcleo-caparazón para mejorar la uniformidad de la temperatura

Throughout this study, we propose using hybrid heating (microwaves – thermal radiation) on a heterogeneous structure. Our goal is to improve the effectivity of its thermal treatment. We analyze a core-shell assembly with different thermal and electrical properties. A solid sphere makes up the core of the arrangement. Such a core is surrounded by three layers of different materials. Because of the properties of the original system, we propose modifying the core so that it absorbs microwaves. The layers are all homogeneous and microwave transparent. The first two exhibit a low thermal conductivity, while the outermost one is a good thermal conductor. We also propose adding a thin layer of susceptor between the first two layers, striving to alleviate the low thermal conduction problem. Furthermore, the dielectric loss constant of this new layer is temperature-dependent. We assume that the composed sphere hangs within the electromagnetic cavity and continuously rotates, so it homogeneously receives microwaves and thermal radiation (from an electrical resistance). Thus, the thermal model is given by a set of time-dependent partial differential equations. Transient temperature profiles are analyzed under different experimental scenarios. There is a clear advantage of using the proposed hybrid heating in this particular case.A lo largo de este estudio se propone utilizar el calentamiento híbrido (microondas - radiación térmica) sobre una estructura heterogénea. El objetivo es mejorar la eficacia de su tratamiento térmico. Se analiza un conjunto core-shell con diferentes propiedades térmicas y eléctricas. Una esfera sólida constituye el núcleo del conjunto. Dicho núcleo está rodeado por tres capas de diferentes materiales. Debido a las propiedades del sistema original, se propone modificar el núcleo para que absorba las microondas. Las capas son todas homogéneas y transparentes a las microondas. Las dos primeras presentan una baja conductividad térmica, mientras que la más externa es un buen conductor térmico. También se propone añadir una fina capa de susceptor entre las dos primeras capas, tratando de paliar el problema de la baja conducción térmica. Además, la constante de pérdida dieléctrica de esta nueva capa depende de la temperatura. Se supone que la esfera compuesta cuelga dentro de la cavidad electromagnética y gira continuamente, por lo que recibe homogéneamente microondas y radiación térmica (de una resistencia eléctrica). Así, el modelo térmico viene dado por un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales dependientes del tiempo. Se analizan los perfiles de temperatura transitorios bajo diferentes escenarios experimentales. La utilización del calentamiento híbrido propuesto presenta una clara ventaja en este caso concreto

Controlador no-lineal para sistemas de almacenamiento con voltaje de salida regulado y derivada de corriente segura para la batería

This paper proposes a non-linear control structure for a hybrid energy storage system with a series architecture, which regulates the voltage of a DC bus (output voltage) and ensures that the battery current fulfills the current slew-rate restriction. The proposed solution has two stages, in the first one, the battery is connected to a buck/boost converter that feeds an auxiliary capacitor. In the second stage, the auxiliary capacitor is connected to a DC bus through a second buck/boost converter. Both converters are regulated using cascaded control systems, where the inner loops are slidingmode controllers of the inductors’ current, and the outer loops in the first and second converter are designed to limit the slew-rate of the battery current and to regulate the dc bus voltage, respectively. The paper provides the design procedure for the controllers and validates its performance with simulation results for the power system operating in charging, discharging and stand-by modes.Este artículo propone una estructura de control no-lineal para un sistema de almacenamiento híbrido con una arquitectura en serie, en la cual se regula la tensión de un bus DC (voltaje de salida) y asegura que la corriente de la batería cumpla con la restricción de velocidad de cambio en la corriente. La solución propuesta tiene dos etapas, en la primera se conecta una batería a un convertidor buck/boost que alimenta un capacitor auxiliar. En la segunda etapa, el capacitor auxiliar se conecta a un bus de DC a través de un segundo convertidor buck/boost. Ambos convertidores se regulan utilizando sistemas de control en cascada, donde los lazos internos son controladores por modos deslizantes de las corrientes de los inductores, y los lazos externos del primer y el segundo convertidor se diseñan para limitar la velocidad de cambio de la corriente en la batería y regular la tensión en el bus de DC, respectivamente. El artículo proporciona el procedimiento de diseño para los controladores y valida su desempeño con resultados de simulación considerando el sistema de potencia operando en modos de carga, descarga y almacenamiento

Control por histéresis para un inversor buck-dual conectado a la red

Single-phase inverters are widely used in different renewable energy applications. Although the full-bridge inverter is typically used, dual-buck inverters provide an important advantage, since they eliminate the shoot-through problems. However, solutions proposed in the literature require additional inductors, use linear controllers designed around an operation point, or cannot be used in grid-connected applications. This paper presents a hysteresis current control of a single-phase dual-buck full-bridge inverter for grid-connected active power injection. Includes the dynamical model in state variables, as well as analytical conditions to guarantee the evolution of the error dynamics in a set with boundaries defined by the designer. Moreover, the paper provides guidelines for the design of the dead band required for the transitions between the positive and negative semi-cycles (and vice-versa) of the grid voltage. Finally, simulation results validate the main features of the controller as well as the design of the dead band.Los inversores monofásicos son ampliamente usados en diferentes aplicaciones de energías renovables. Aunque típicamente se usa el inversor de puente completo, el inversor buck-dual provee una ventaja  importante porque elimina el problema de posibles cortos-circuitos. Sin embargo, las soluciones reportadas en la literatura requieren inductores adicionales, usan controladores lineales diseñados para un punto de operación, o no se pueden usar en aplicaciones de conexión a la red. En este artículo se presenta un control por histéresis para un inversor monofásico buck-dual de puente completo con conexión a la red para inyección de corriente activa. En particular, se presenta el modelo matemático en variables de estado y se obtienen condiciones analíticas para garantizar la evolución de la dinámica de error dentro de un conjunto con límites establecido por el diseñador. Además, se discuten los elementos para diseñar la banda muerta requerida en la transición entre los semi-ciclos positivos y negativos de la tensión de la red. Finalmente, los resultados de simulación validan las principales características del controlador propuesto, así como el diseño de la banda muerta

Modelado y cálculo de parámetros de campos fotovoltaicos en condiciones climáticas irregulares

In this paper, a model for photovoltaic (PV) fields and a procedure for calculating the parameters of the modules of a string (a group of PV modules connected in series) are presented. The proposed model considers the series and parallel resistors of the photovoltaic modules, the bypass diodes as ideal switches and represents the blocking diodes with the Shockley equation, which allow to express the string voltage as an explicit function of the load current by using the LambertW function; in this way it is possible to construct one equation per string for calculating its current for a given voltage. That procedure is repeated for each string and the current of the field is evaluated by adding the currents of all strings. The parameter calculation procedure evaluates the voltage and current of each active module from the current and voltage of the string and fits the current equation of a module to the experimental data. The accuracy of the proposed model was tested experimentally with a string of two modules obtaining an accuracy improvement near to 50%.Este artículo se presenta un modelo de campos fotovoltaicos (PV) y un procedimiento para calcular los parámetros de los módulos de una cadena fotovoltaica (grupo de módulos PV conectados en serie). El modelo propuesto considera las resistencias en serie y paralelo de los módulos, los diodos de bypass como interruptores ideales y aproxima los diodos de bloqueo con la ecuación de Shockley, permitiendo expresar el voltaje en función de la corriente (explícitamente) usando la función de Lambert-W; esto hace posible construir una ecuación por cada cadena para calcular su corriente en un voltaje dado. El procedimiento se repite para cada cadena y la corriente del campo se calcula sumando las corrientes de todas las cadenas. Para encontrar los parámetros se calcula el voltaje y la corriente de cada módulo activo a partir de la corriente y el voltaje de la cadena y luego se ajusta la ecuación de corriente de un módulo a los datos experimentales. La precisión del modelo fue probada experimentalmente con una cadena de dos módulos obteniendo una mejora cercana al 50 %

Convertidores de potencia para microrredes y sistemas de generación distribuidos

This paper presents an overview and critical discussion about the utilization of power converters in several microgrid configurations that incorporate non-conventional renewable energy sources and energy storage. The methodology is developed over 69 works published in this research topic. The papers are selected from databases in electrical engineering, e.g., IEEExplore, ScienceDirect, Springer, MDPI, etc. Then, the papers are classified depending on its focus, i.e., power converters in microgrids or power converters in distribution systems. At least, three classifications are proposed and one of them is made over more than 40 papers about power converters used in microgrids and electric distribution systems. Given the wide variety of microgrids and their configurations, the selection of appropriate power converters for every scenario is not trivial; therefore, this work also classifies the converters in their most common application, their advantages and disadvantages, and also point out the study domain, i.e., simulation or physical implementation. One of the main conclusions made from the overview is a gap identified in the study of direct current/ direct current microgrids despite being the simplest configuration among the three analyzed configurations. This is because hybrid and alternate current microgrids are more widely used since they allow taking advantage of the infrastructure of the current electrical systems.Este artículo presenta una visión general y una discusión crítica sobre la utilización de convertidores de potencia en varias configuraciones de microrredes que incorporan fuentes de energía renovable no convencionales y almacenamiento de energía. La metodología se desarrolla sobre 69 trabajos publicados en este tema de investigación. Los documentos se seleccionan de bases de datos en ingeniería eléctrica, p. ej. IEEExplore, ScienceDirect, Springer, MDPI, etc. Luego, los artículos se clasifican según su enfoque, es decir, convertidores de potencia en microrredes o convertidores de potencia en sistemas de distribución. Se proponen al menos tres clasificaciones y una de ellas se realiza sobre más de 40 artículos sobre convertidores de potencia utilizados en microrredes y sistemas de distribución eléctrica. Dada la gran variedad de microrredes y sus configuraciones, la selección de convertidores de potencia apropiados para cada escenario no es trivial; por lo tanto, este trabajo también clasifica a los convertidores en su aplicación más común, sus ventajas y desventajas, y también señala el dominio de estudio, es decir, simulación o implementación física. Una de las principales conclusiones extraídas de la visión general es una brecha identificada en el estudio de las microrredes de corriente continua / corriente continua a pesar de ser la configuración más simple entre las tres configuraciones analizadas. Esto se debe a que las microrredes híbridas y de corriente alterna son las más utilizadas ya que permiten aprovechar la infraestructura de los sistemas eléctricos actuales

Herramienta de laboratorio para la monitorización y caracterización de módulos fotovoltaicos

For academic and research purpuses in photovoltaic (PV) systems it is very important to get as much information as possible from the PV array, especially the main variables (irradiance, temperature, voltage and current) of each panel. The implementation of such an measurement system by using comertial elements would be expensive and difficult to modify for research labours. This paper presents the characteristics and operation of a characterization and monitoring tool for PV arrays that allows the irradiance and temperature measurement with low cost elements and proposes a commnunication system, easy to expand, to perform measurements up to 32 panels. Para fines académicos y de investigación en sistemas fotovoltaicos (FV) es muy importante tener la mayor cantidad de información posible del arreglo FV, especialmente de las principales variables (irradiancia, temperatura, tensión y corriente) de cada panel. Implementar este sistema de medición con elementos comerciales resulta costoso y poco flexible para labores de investigación. Este artículo presenta las características y el funcionamiento de una herramienta para la caracterización y monitoreo de arreglos FV que permite medir irradiancia y temperatura con elementos de bajo costo y propone un sistema de comunicación fácilmente escalable para realizar mediciones en cada panel de un arreglo FV de hasta 32 paneles.

Caribbean Corals in Crisis: Record Thermal Stress, Bleaching, and Mortality in 2005

BACKGROUND The rising temperature of the world's oceans has become a major threat to coral reefs globally as the severity and frequency of mass coral bleaching and mortality events increase. In 2005, high ocean temperatures in the tropical Atlantic and Caribbean resulted in the most severe bleaching event ever recorded in the basin. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS Satellite-based tools provided warnings for coral reef managers and scientists, guiding both the timing and location of researchers' field observations as anomalously warm conditions developed and spread across the greater Caribbean region from June to October 2005. Field surveys of bleaching and mortality exceeded prior efforts in detail and extent, and provided a new standard for documenting the effects of bleaching and for testing nowcast and forecast products. Collaborators from 22 countries undertook the most comprehensive documentation of basin-scale bleaching to date and found that over 80% of corals bleached and over 40% died at many sites. The most severe bleaching coincided with waters nearest a western Atlantic warm pool that was centered off the northern end of the Lesser Antilles. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE Thermal stress during the 2005 event exceeded any observed from the Caribbean in the prior 20 years, and regionally-averaged temperatures were the warmest in over 150 years. Comparison of satellite data against field surveys demonstrated a significant predictive relationship between accumulated heat stress (measured using NOAA Coral Reef Watch's Degree Heating Weeks) and bleaching intensity. This severe, widespread bleaching and mortality will undoubtedly have long-term consequences for reef ecosystems and suggests a troubled future for tropical marine ecosystems under a warming climate.This work was partially supported by salaries from the NOAA Coral Reef Conservation Program to the NOAA Coral Reef Conservation Program authors. NOAA provided funding to Caribbean ReefCheck investigators to undertake surveys of bleaching and mortality. Otherwise, no funding from outside authors' institutions was necessary for the undertaking of this study. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript

Types of inverters and topologies for microgrid applications

Inverters are the key actuator in the control of AC microgrids, since they manage the power flows of both the generators and energy storage devices. In general, there are three types of inverters depending on the control strategy: grid feeding inverters, grid forming inverters and grid supporting inverters. Those inverters can be implemented with different hardware topologies, each one of them with advantages and disadvantages. This paper presents a sinthesis of the widely used inverter topologies used in AC microgrids. Moreover, this paper also describes the inverters control architectures and the main strategiesLos inversores son los principales actuadores en el control de microrredes en AC, pues ellos gestionan los flujos de potencia de los generadores y los dispositivos de almacenamiento de energía. En general, existen tres tipos de inversores dependiendo de la estrategia de control: inversores alimentadores de red, inversores formadores de red e inversores soporte de red. Dichos inversores pueden ser implementados con diferentes topologías hardware, cada una de ellas con ventajas y desventajas. Este artículo presenta una síntesis de las topologías de inversores ampliamente usadas en microrredes de AC. Además, el artículo también describe la arquitectura y las principales estratégicas de control de los inversores.

Computational analysis of hybrid heating of a heterogeneous core-shell configuration for improving temperature uniformity

Throughout this study, we propose using hybrid heating (microwaves –thermal radiation) on a heterogeneous structure. Our goal is to improve the effectivity of its thermal treatment. We analyze a core-shell assembly with different thermal and electrical properties. A solid sphere makes up the core of the arrangement. Such a core is surrounded by three layers of different materials. Because of the properties of the original system, we propose modifying the core so that it absorbs microwaves. The layers are all homogeneous and microwave transparent. The first two exhibit a low thermal conductivity, while the outermost one is a good thermal conductor. We also propose adding a thin layer of susceptor between the first two layers, striving to alleviate the low thermal conduction problem. Furthermore, the dielectric loss constant of this new layer is temperature-dependent. We assume that the composed sphere hangs within the electromagnetic cavity and continuously rotates, so it homogeneously receives microwaves and thermal radiation (from an electrical resistance). Thus, the thermal model is given by a set of time-dependent partial differential equations. Transient temperature profiles are analyzed under different experimental scenarios. There is a clear advantage of using the proposed hybrid heating in this particular case.A lo largo de este estudio, proponemos utilizar el calentamiento híbrido (microondas -radiación térmica) sobre una estructura heterogénea. Nuestro objetivo es mejorar la eficacia de su tratamiento térmico. Analizamos un conjunto core-shell con diferentes propiedades térmicas y eléctricas. Una esfera sólida constituye el núcleo del conjunto. Dicho núcleo está rodeado por tres capas de diferentes materiales. Debido a las propiedades del sistema original, proponemos modificarel núcleo para que absorba las microondas. Las capas son todas homogéneas y transparentes a las microondas. Las dos primeras presentan una baja conductividad térmica, mientras que la más externa es un buen conductor térmico. También proponemos añadir una fina capa de susceptor entre las dos primeras capas, tratando de paliar el problema de la baja conducción térmica.Además, la constante de pérdida dieléctrica de esta nueva capa depende de la temperatura. Suponemos que la esfera compuesta cuelga dentro de la cavidad electromagnética y gira continuamente, por lo que recibe homogéneamente microondas y radiación térmica (de una resistencia eléctrica).Así, el modelo térmico viene dado por un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales dependientes del tiempo. Se analizan los perfiles de temperatura transitorios bajo diferentes escenarios experimentales. La utilización del calentamiento híbrido propuesto presenta una clara ventaja en este caso concreto

Solution of Series-Parallel Photovoltaic Arrays Model using Global Optimization Algorithms

Models of series-parallel (SP) photovoltaic (PV) arrays focus on the system of nonlinear equations that represents the array’s electrical behavior. The solution of the system of nonlinear equations can be posed as an optimization problem and solved with different methods; however, the models do not formulate the optimization problem and do not evaluate different optimization algorithms for its solution. This paper proposes a solution, using global optimization algorithms, of the mathematical model that describes the electrical behavior of a SP generator, operating under uniform and partial shading conditions. Such a model is constructed by dividing the generator into strings and representing each module in the string with the single-diode model. Consequently, for each string a system of nonlinear equations is build applying the Kirchhoff’s laws, where the unknowns are the modules’ voltages. The solution of the resulting nonlinear equation system is posed as an optimization problem, where the objective function is defined as the sum of the squared of each nonlinear equation. Minimum and maximum values of each voltage are defined from the datasheet information of the modules and bypass diodes. As a demonstrative example, we arbitrarily select two well-known algorithms to solve this problem: Genetic Algorithms and Particle Swarm Optimization. Simulation results show that both algorithms solve the optimization problem and allow the reproduction of the generator’s characteristic curves. Moreover, the results also indicate that the optimization problem is correctly defined, which opens the possibility explore other optimization algorithms to reduce the computation time.—Los modelos de arreglos fotovoltaicos (FV) en serieparalelo (SP) se enfocan en el sistema de ecuaciones no lineales que represental comportamiento eléctrico del arreglo. La solución del sitemas de ecuaciones se puede plantear como un problema de optimización y resolverse con diferentes métodos; sin embargo, los modelos no formulan el problema de optimización y no evaluan diferentes algoritmos de optimización para su solución. Este artículo propone una solución, utilizando algoritmos de optimización global, del modelo matemático que describe el comportamiento eléctrico de un generador fotovoltaico en serie-paralelo, que opera bajo condiciones uniformes y de sombreados parciales. Dicho modelo se construye dividiendo el generador en cadenas y representando cada módulo en la cadena con el modelo de diodo-único. En consecuencia, para cada cadena se construye un sistema de ecuaciones no lineales aplicando las leyes de Kirchhoff, en donde las incógnitas son los voltajes de los módulos. La solución del sistema de ecuaciones no lineales resultante se plantea como un problema de optimización, donde la función objetivo se define como la suma del cuadrado de cada ecuación no lineal. Los valores mínimos y máximos de cada voltaje se definen a partir de la información de la hoja de datos de los módulos y de los diodos de derivación. Como ejemplo demostrativo, se seleccionaron arbitrariamente dos algoritmos bien conocidos para resolver este problema: Algoritmos Genéticos y Optimización por Enjambre de Partículas. Los resultados de simulación muestran que los dos algoritmos ambos algoritmos resuelven el problema de optimización y permiten la reproducción de las curvas características del generador. Adicionalmente, los resultados también indican que el problema de optimización se definió correctamente, lo cual abre la posibilidad de explorar otros algoritmos de optimización para reducir el tiempo de cómputo