Un Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltaico Inteligente con Control Fuzzy-PID para una Mejora en la Gestión de Baterías y MPPT

Resumen

Esta propuesta presenta un sistema de generación híbrida de energía eólica y solar basado en tecnología de control avanzada, con el objetivo de abordar de manera eficiente y económica las necesidades energéticas de áreas remotas y escenarios de aplicación especiales. El núcleo del sistema se encuentra en un sistema de control inteligente centrado en un microprocesador ATmega16. Este sistema realiza el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) tanto para la energía eólica como para la solar, y emplea un algoritmo optimizado que combina el control PID y difuso para una gestión precisa y eficiente de la carga/descarga del componente clave, la batería. Como resultado, se mejora significativamente la eficiencia general de la generación de energía, se extiende la vida útil de la batería y se garantiza la confiabilidad y la rentabilidad del suministro de energía.

I. Antecedentes y Significado del Proyecto

1. Contexto Energético: A nivel global, los combustibles fósiles tradicionales se están agotando cada vez más, lo que plantea desafíos severos para la seguridad energética y el desarrollo sostenible. Desarrollar y utilizar activamente fuentes de energía limpia y renovable, como la eólica y la solar, se ha convertido en una prioridad estratégica para resolver los problemas actuales de energía y medio ambiente.
2. Valor del Sistema: El sistema híbrido eólico-solar aprovecha plenamente las características naturales complementarias de la energía eólica y solar en términos de tiempo y geografía (por ejemplo, luz solar fuerte durante el día, vientos potencialmente más fuertes por la noche), superando la intermitencia de la generación de energía de una sola fuente. Es una solución de suministro de energía independiente con una estructura razonable y bajos costos operativos, que resuelve eficazmente los problemas de suministro de energía para instalaciones como viviendas, estaciones base de comunicación y estaciones de monitoreo meteorológico en áreas remotas sin electricidad o con electricidad débil.
3. Importancia de los Componentes Clave: La batería, que actúa como unidad de almacenamiento de energía del sistema, es crucial para garantizar el suministro continuo de energía a la carga durante períodos sin viento o sol. Su costo constituye una parte significativa del sistema de generación de energía. Por lo tanto, mejorar la eficiencia de carga de la batería y optimizar sus estrategias de carga/descarga para prolongar su vida útil son vitales para reducir el costo del ciclo de vida del sistema y mejorar la confiabilidad operativa.

II. Diseño General del Sistema

1. Objetivos Principales del Sistema:
• Optimización de la Captura de Energía: Realizar un control óptimo para lograr la máxima eficiencia en la electricidad generada por el aerogenerador y los paneles fotovoltaicos, logrando el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para aprovechar al máximo los recursos naturales.
• Gestión del Sistema de Almacenamiento de Energía: Gestionar de manera inteligente el proceso de carga y descarga de la batería, evitando la sobrecarga y la descarga excesiva, protegiendo eficazmente la batería y mejorando significativamente su eficiencia de carga y vida útil.
2. Arquitectura de Hardware del Sistema:

El sistema consta de tres módulos funcionales principales, coordinados por una CPU de control central para formar un sistema de control inteligente completo.

III. Tecnología de Control Central: Gestión Inteligente de Baterías

1. Selección y Fundamentos de la Batería:
• Tipo: Esta solución selecciona baterías de plomo-ácido libres de mantenimiento, que son tecnológicamente maduras y de bajo costo, adecuadas para sistemas híbridos eólico-solares de pequeña escala.
• Principio de Funcionamiento: La carga y descarga de la batería son esencialmente procesos de conversión de energía eléctrica a química y viceversa. Sin embargo, debido a fenómenos como la polarización de los electrodos, la eficiencia de conversión de energía no puede alcanzar el 100%.
2. Desafíos de Control y Estrategia de Optimización:
• Desventajas del Control Tradicional: Los métodos de control PID clásicos dependen en gran medida de un modelo matemático preciso del objeto controlado (la batería). La batería es un sistema no lineal y de variación temporal cuyos parámetros (resistencia interna, densidad del electrolito, etc.) cambian dinámicamente con la temperatura ambiental y el estado de uso, lo que dificulta establecer un modelo preciso. Esto lleva a desafíos en la sintonización de los parámetros PID tradicionales, poca adaptabilidad y un rendimiento de control subóptimo.
• Método de Control Avanzado Adoptado: Esta solución emplea una estrategia de control compuesto Fuzzy-PID, combinando las ventajas de ambos:
• Ventaja del Control Difuso: No requiere un modelo matemático exacto del objeto controlado, puede manejar información de entrada imprecisa, exhibe una fuerte adaptabilidad a los cambios en los parámetros de la batería y puede incorporar conocimientos expertos.
• Ventaja del Control PID: Puede lograr un control de alta precisión y error estacionario cero cuando la desviación del sistema es pequeña.
• Flujo de Trabajo del Controlador: El sistema monitorea continuamente la diferencia e(t) entre el voltaje establecido de la batería y su voltaje real. Cuando la desviación e(t) es grande, el control difuso domina para una respuesta rápida. Cuando e(t) disminuye dentro de un cierto rango, se transiciona suavemente al control PID para un ajuste fino. Finalmente, la señal de salida u(t) se ajusta para controlar el ciclo de trabajo del MOSFET, logrando una optimización dinámica de la corriente de carga.

IV. Resumen de la Solución y Perspectivas

• Efectividad del Control: El sistema de control de generación de energía híbrida eólico-solar diseñado en esta solución logra exitosamente una gestión óptima de la carga/descarga de la batería a través del algoritmo de control inteligente Fuzzy-PID complementario. Esto no solo protege eficazmente la batería y prolonga su vida útil, sino que también mejora la eficiencia de captura de la energía eólica y solar a través del MPPT, mejorando así la eficiencia general del sistema de generación de energía.
• Verificación Experimental: Los resultados experimentales muestran que el controlador está correctamente y factiblemente diseñado, opera de manera segura y confiable, y exhibe un buen rendimiento de respuesta dinámica y precisión en estado estacionario.
• Perspectivas de Aplicación: Esta solución integrada de generación de energía híbrida eólico-solar con tecnología de gestión inteligente de baterías es particularmente adecuada para escenarios como áreas remotas sin cobertura de red, islas, pastizales y estaciones base de comunicación. Ofrece beneficios económicos y sociales significativos y tiene amplias perspectivas de aplicación.