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INTRODUCCIÓN
Una parte importante de las redes eléctricas inteligentes son los sistemas de gestión de la energía (EMS). Los EMS permiten la integración de energías renovables a gran escala, tomando relevancia mundial ya que optimiza el consumo eléctrico brindando sostenibilidad ambiental y social, reduciendo el impacto económico gracias a la gestión de la demanda. Para formar un sistema de gestión de energía es necesario comunicaciones fiables, eficientes, seguras que permitan la transmisión de información entre todos los actores de la red[1], [2].
El consumo de energía por parte de dispositivos inteligentes en tareas de transmisión o retransmisión de datos se convierte en un tema complejo que debe abordarse cuando las personas, procesos, datos y cosas convergen en tiempo real. Las nuevas tendencias tecnológicas involucran dispositivos con la capacidad de tomar información del entorno, procesarla y enviarla a un sistema de procesamiento de información [3], [5].
La red de área doméstica (HAN) requiere velocidades de transmisión de 10 kbps hasta 1 Mbps y debe cubrir distancias entre 5 y 100 metros. Las comunicaciones entre los usuarios y el generador de energía eléctrica son proactivas y permiten generar energía en función del consumo en tiempo real. Los aparatos, televisores, sistemas de iluminación, medidores inteligentes, etc. están compuestos por sensores y actuadores que permiten la creación de sistemas de gestión de energía y de microgeneración [6].
Para proporcionar inteligencia a la red, se requieren dispositivos con monitoreo unificado, protocolos de medición y control, lo que resulta en decisiones asertivas en tiempo real sobre la demanda de energía del usuario.
Los avances tecnológicos en sistemas micro electromecánicos, comunicaciones inalámbricas y electrónica digital han desarrollado dispositivos de bajo costo y bajo consumo que pueden formar nodos multifuncionales. Los nodos multifuncionales están compuestos por sensores, procesadores de señal y componentes de comunicación.
La red de sensores consta de una gran cantidad de nodos que se comunican a través de un cable o medio inalámbrico. Dado que una gran cantidad de nodos sensores se despliegan densamente, los nodos vecinos pueden estar muy cerca uno del otro. Por lo tanto, se espera que la comunicación multiusuario en redes de sensores consuma menos energía que la comunicación tradicional de un salto. Además, los niveles de potencia de transmisión pueden mantenerse bajos, lo que es altamente deseable en las comunicaciones en el hogar. La comunicación multi-salto también puede superar con eficacia algunos de los efectos de propagación de las señales experimentadas en la comunicación inalámbrica de larga distancia. Una de las limitaciones más importantes en los nodos de sensores es el requisito de bajo consumo de energía [7], [10].
Los nodos sensores llevan fuentes de energía limitadas, generalmente insustituibles. Por lo tanto, mientras que las redes tradicionales pretenden lograr disposiciones de servicio de alta calidad (QoS), los protocolos de la red de sensores deberían centrarse principalmente en la conservación de energía. Deben tener mecanismos de compensación incorporados que brinden al usuario final la opción de extender la vida útil de la red al costo de un rendimiento más bajo o un mayor retraso en la transmisión [11], [13].
La Fig. 1 muestra que entre las aplicaciones de los dispositivos inteligentes están la medición de temperatura, humedad, condiciones de iluminación, microgeneración y sistemas de gestión de energía.
El documento está organizado de la siguiente manera. En el capítulo 2 se presenta el planteamiento del problema. En el capítulo 3 se describen los materiales y métodos empleados. En el capítulo 4 se presentan los resultados. En el capítulo 5 se analizan los resultados y finalmente se concluye en el capítulo 6.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Para la transmisión de datos es necesario crear la red BAN (Building Area Network), la misma permite al sistema de gestión de energía (EMS) gestionar los equipos del entorno a través de varios medios de comunicaciones [14].
Los Sistemas de Gestión de Energía (EMS) son creados con el objetivo de optimizar, planificar y reducir costos energéticos en el sector residencial, comercial e industrial. Es un conjunto de políticas, análisis, algoritmos de optimización, hardware especializado y software capaces de mejorar objetivamente el consumo eléctrico reduciendo el costo y manteniendo el confort de los usuarios [15].
El escenario utilizado en la presente investigación está equipado con laptops, proyector, 6 Smart TV’s, módem, UPS, servidor, microondas, banco de baterías, panel solar, generador eólico, conexión a la red eléctrica, calefactor, dispensador de agua y equipos de comunicaciones.
La Fig. 2 muestra la oficina de pruebas modelado en tres dimensiones con todos sus componentes.
El ambiente de confort del personal no debe ser alterado por lo que es necesario tomar en cuenta la hora de entrada y salida de los mismos, los días festivos para establecer los tiempos de atenuación en las lámparas y desconexión de equipos en estado stand by.
Se deben considerar tres aspectos para el diseño del sistema de gestión de energía, los mismos se definen a continuación:
Aspecto económico: el consumo y costo de la energía deberá disminuir.
Confort: Los equipos deben estar disponibles para los usuarios en horarios de oficina, y no deben preocuparse por si alguno se quedó encendido, el nivel de comodidad de los mismos debe mantenerse o mejorar.
Vida útil de los equipos: la vida útil se disminuye con el uso constante sin embargo también se consideran 15 minutos de encendido antes de su uso cotidiano.
MATERIALES Y MÉTODOS
Conocidos los aspectos a tomar en consideración se ha diseñado el sistema de gestión de energía mediante dispositivos que permiten la lectura de parámetros eléctricos como voltaje, corriente, energía y factor de potencia. Los datos de cada lectura son enviados a través de comunicaciones inalámbricas, la tecnología utilizada es Wifi 802.11 en la frecuencia de 2.4 GHz. La información es almacenada en un servidor, en el mismo mediante una aplicación desarrollada en Android permite realizar el control de los tomacorrientes según el análisis de horarios en los cuales se pueden desconectar diferentes equipos que consumen energía innecesariamente. La Fig. 3 muestra el esquema del sistema diseñado he implementado en el cual todos los equipo son supervisados y controlados por medio de un dispositivo inteligente.
El algoritmo planteado para el sistema de gestión de energía tiene como objetivo minimizar el costo de energía eléctrica y maximizar el confort dentro de la edificación. A continuación se presenta el algoritmo propuesto.
Algoritmo1: Sistema de gestión de energía
Paso 1: Importación de datos de entrada
Paso 2: Configuración inicial de tarifas costos fijos, impuestos y tarifa diurna (si aplica)
Paso 3. Selección de los dispositivos que pueden ser optimizados en el horario no laborable y fines de semana.
Paso 4. If (es_optimizable) → apagar el dispositivo en horarios establecidos.
Paso 5. Rango = Horas(uso)/Horas(Standby)
Paso 6. If (tarifa_diurna) → usar este precio para las horas de trabajo.
Paso 7. Calcular la tarifa mensual de los equipos usando la tarifa ingresada.
Paso 8. Agregar los costos fijos
Paso 9. Calculo de impuestos.
Paso 10. Presentación de resultados y comparaciones con el consumo inicial
Paso 11. Fin.
En la Fig. 4 se presenta el flujograma desarrollado para optimizar el consumo de energía eléctrica por los diversos dispositivos y equipos instalados.
RESULTADOS
La Tabla 1 presenta los resultados de la adquisición de datos detallada en potencia consumida en stand by, factor de potencia y el tiempo de consumo por día.
Para modelar el consumo de potencia por equipo se realizaron registros durante el transcurso de dos semanas, las potencias obtenidas del consumo se presenta en la Fig. 5.
Mediante el algoritmo de Pareto, de acuerdo a la premisa de “Sólo es necesario que aproximadamente el 20% de los equipos se mantengan con energía durante todo el día, el resto puede ser optimizado”, la gráfica de optimización Pareto se muestra en la Fig. 6.
De acuerdo a la gráfica de Pareto y las necesidades del usuario sólo 3 equipos han sido considerados para mantenerse operando en la noche. La Fig. 7 muestra las gráficas de calendarización por cada equipo. Se presenta tres opciones, la primera es que existen horarios en los que mantener los equipos encendidos no es necesario (0), horarios en el que mantener los equipos encendidos es opcional (1) y horarios en el que los equipos necesariamente deben estar encendidos.
Valores estándar de iluminación
Las mediciones estándar para la iluminación de algunas residencias se muestran en la Tabla 3combinando sensores, tiempo, controlador inteligente y otros dispositivos.
La vivienda inteligente y la estrategia de control de iluminación se basa en los valores de iluminación descritos en la Tabla 2 [16]:
FLUJOGRAMA DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN
La Fig. 8 muestra el flujograma donde la señal inicia desde el ordenador (Raspberry Pi) con una instrucción inicializada y gestionada en Python todas las variables son capturadas por el sensor de irradiación luminosa, que se envían al ordenador. Los datos en el ordenador son monitoreados, controlados, examinados, y acumulados en labview, para luego ser trasmitidos al sistema de conmutación donde efectuara la atenuación de las lámparas led, fluorescentes, etc. A través de un acoplador de potencia. La irradiación emitida por las lámparas son reiteradamente medidas por el sensor, para nuevamente repetir el proceso, el tiempo de este proceso es de 1.5 segundos.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
La investigación está montada con tres tipos de lámparas, fluorescentes, leds no atenuables y leds atenuables.
La Fig. 9 muestra que las tres lámparas fluorescentes pueden ser controladas mediante el uso de electrónica de potencia. Existe un umbral debajo del cual la lámpara trabaja con un parpadeo. El consumo de potencia de una lámpara fluorescente controlando en niveles de iluminación en los diferentes espacios puede representar hasta un 35% de ahorro energético.
La Fig. 10 muestra el control de una lámpara 3*9 watts de luz led blanca no atenuable donde se puede evidenciar que igualmente existe un umbral del cual no se puede disminuir la potencia debido a que empieza el parpadeo de la misma. Los asteriscos señalados en la figura muestran los niveles propuestos en el sistema y programados para ciertos niveles de atenuación.
La tabla 4 muestra que el foco led no atenuable trabaja de manera eficiente solo en tres niveles. En los siguientes comienza con la zona de parpadeo. Los cuatro últimos niveles emiten irradiación variable, pero con un mínimo consumo.
En la Fig. 11 se muestra que las lámparas led atenuables tienen una calidad de iluminación menor a las convencionales.
Los niveles de potencia están entre 30w divido para 3 lámparas y un rango de iluminación de 225 a 250 lx por cada lámpara.
La tabla 4 muestra el cálculo de energía anual consumida son el sistema de gestión de iluminación y sin el sistema de gestión de iluminación.
La Fig. 12 presenta en azul el sistema sin gestión de la demanda, se puede evidenciar que en horarios desde las 17:00 hasta las 6:00 el consumo de energía es de equipos de comunicaciones, equipos de calefacción, servidores. En naranja se muestra la medición del mismo sistema aplicando la gestión de energía, equipos de comunicaciones switchs, access points, calefactores de agua y equipos en stand by han sido apagados.
Del mismo modo para los días no laborales y feriados se obtuvo la Fig. 13, se puede evidenciar que existen equipos que han se apagaron debido a que no son usados en ciertas horas.
Dando como resultado un ahorro promedio mensual estimado del 13.85%.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El objetivo principal de maximizar la economía y reducir la cantidad de energía consumida manteniendo el confort, se logró con un porcentaje de ahorro de casi el 14% simplemente manteniendo desconectados los equipos en las horas en que no se usan, lo que nos muestra la efectividad del sistema y que se puede lograr optimizar esto incluso más dependiendo de cuantos dispositivos estemos dispuestos a desconectar.
La información que guarda el servidor es extensa y se considera para un futuro trabajo hacer el uso de tecnologías como BIGDATA y análisis de datos predictivos para automatizar y reducir tiempos de investigación.
Las mediciones tomadas entre las lámparas led y lámparas fluorescentes son muy notables y el uso de lámparas led ayuda a minimizar un consumo de energía considerablemente y aún más eficiente si estas usan sistemas automáticos que permiten el uso de iluminación inteligente. El ahorro con sistemas automáticos de lámparas fluorescentes es del 10,55 %, de led no atenuables es del 36,33% y de led atenuables es de 38,03% claramente las lámparas led atenuables son más energéticas si hablamos en porcentajes.
