Los sistemas híbridos de energía renovable están posicionados para convertirse en la solución energética a largo plazo para aplicaciones de sistemas portátiles, de transporte y estacionarios. Los sistemas de energía híbridos son prácticamente ilimitados en cuanto a posibles instalaciones y configuraciones para producir la energía deseada para un sistema en particular. Un sistema híbrido puede constar de paneles solares, energía eólica, pilas de combustible, electrolizadores, baterías, condensadores y otros tipos de dispositivos de energía. Los sistemas híbridos se pueden configurar con electrónica de potencia para manejar requisitos de energía bajos, altos y variables. Por ejemplo, los paneles solares se pueden usar para convertir la energía solar en energía eléctrica cuando la luz solar incide directamente sobre los paneles fotovoltaicos para lograr la máxima eficiencia, y luego se puede usar la energía de las turbinas eólicas cuando la velocidad y dirección del viento son ideales. La energía de estos dispositivos se puede almacenar en baterías y utilizar para electrólisis para producir hidrógeno. Luego, el hidrógeno se puede alimentar a celdas de combustible para proporcionar energía durante largos períodos de tiempo o aplicaciones portátiles o de transporte. La electrónica de potencia proporciona un elemento clave para estabilizar, aumentar y gestionar la potencia cuando sea necesario.
Es posible que la salida eléctrica de un sistema de energía específico no proporcione la entrada necesaria para un determinado dispositivo. Muchas aplicaciones, como la red o la energía residencial, requieren alimentación de CA. Otros dispositivos, como los teléfonos móviles, requieren alimentación de CC. Sin embargo, la salida de las pilas de combustible y las baterías es un voltaje CC con una intensidad que depende del número de pilas apiladas en serie. Se puede utilizar un inversor para cambiar la salida de CC a CA cuando sea necesario. Además, muchos sistemas de energía renovable pueden tener tiempos de arranque lentos y pueden tardar en responder a mayores necesidades de energía. Por lo tanto, los sistemas generalmente deben diseñarse para compensar los requisitos de energía elevados o intermitentes. Los convertidores de potencia se pueden utilizar para regular la cantidad de energía que fluye a través de un circuito. La Figura 1 muestra un esquema general con una pila de combustible que ilustra el componente electrónico de potencia como elemento clave en el sistema de pila de combustible.
La mayoría de las tecnologías de energía renovable solo proporcionan un cierto voltaje y densidad de corriente (dependiendo de la carga) al convertidor de potencia. Luego, el convertidor de potencia debe ajustar el voltaje disponible de la celda de combustible a un voltaje lo suficientemente alto para operar la carga. Como se muestra en la Figura 2, se requiere un convertidor elevador CC-CC para aumentar el nivel de voltaje del inversor. Este convertidor elevador, además de aumentar el voltaje de la pila de combustible, también regula el voltaje de entrada del inversor y aísla los circuitos de bajo y alto voltaje.
Figura 2. Diagrama de interfaz de la electrónica de potencia de la celda de combustible.
En la Figura 3 se muestra un ejemplo de un sistema de energía híbrido. Este sistema de cargador de batería de iones de litio/pila de combustible incluye los siguientes componentes principales: la pila de combustible, la batería de iones de litio, un sistema de regulación de voltaje constante y un cargador de batería inteligente. . Se puede ubicar una batería recargable de iones de litio dentro de la unidad de celda de combustible para mantener el microcontrolador en un estado de espera de bajo consumo o en estado de suspensión con temporizador programado durante varios días. La batería también permitirá el inicio inmediato del sistema y la energía durante el apagado del sistema. La batería se cargará automáticamente cada vez que la pila de combustible esté funcionando. El circuito interno de carga de la batería dejará de cargar la batería de iones de litio una vez que haya alcanzado un cierto voltaje o se haya cargado durante un período de tiempo específico.
Figura 3. Un diagrama del sistema general de carga de pila de combustible/Li-ion.
Figura 4. Ejemplo de convertidor CC-CC.
Inversores
La energía renovable se puede utilizar tanto en hogares como en empresas como principal fuente de energía. Estos sistemas de energía deberán conectarse a la red de CA. La producción del sistema de energía renovable también deberá convertirse a CA en algunos sistemas independientes de la red. Se puede utilizar un inversor para lograr esto. La corriente CA resultante puede tener el voltaje y la frecuencia requeridos para usar con los transformadores y circuitos de control apropiados. Los inversores se utilizan en muchas aplicaciones, desde cambiar fuentes de alimentación en computadoras hasta aplicaciones de corriente continua de alto voltaje que suministran energía a granel. Los inversores se utilizan comúnmente para aplicar energía de CA a partir de fuentes de CC, como pilas de combustible, paneles solares y baterías. La figura 5 muestra una imagen de un inversor.
Figura 5. Ejemplo de inversor.
Conclusión
La electrónica es una parte importante de los dispositivos que utilizamos todos los días y una parte fundamental de los sistemas de energía híbridos. Estos componentes ayudan a transformar la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA), ayudan a aumentar el voltaje de un sistema de energía, regulan la potencia que proporciona un sistema y/o crean las formas de onda y la sincronización adecuadas que requiere un motor. Sin integrar esta electrónica en el sistema, el voltaje y la potencia producidos por un sistema energético no serían de gran utilidad. Por tanto, la electrónica de potencia es una parte esencial de todo sistema energético híbrido.
