Sandova l eta l . , P lat a f ormad ei nve stigaci ó n d eredes e léctr i cas reco n fi gu r abl es
PLATAFORMA DE INVESTIGACIÓN DE REDES ELÉCTRICAS  
RECONFIGURABLES DE ENERGÍAS  
RENOVABLES APLICANDO MODELOS LFSR  
Sandoval-Ruiz, Cecilia E.  
cesandova@gmail.com  
http://orcid.org/0000-0001-5980-292X  
Facultad de Ingeniería, Instituto de Matemática y Cálculo Aplicado,  
Universidad de Carabobo, Venezuela.  
Recibido (08/10/19), Aceptado (05/11/19)  
Resumen: En esta investigación se presenta una plataforma para adaptación modular de redes eléctricas,  
con el objetivo de optimizar la producción de energías renovables. El concepto de parque científico de  
investigación en tecnología sostenible, basado en un esquema reconfigurable, con concatenación de  
convertidores y almacenamiento de energía con realimentación secuencial, en el marco de sistemas  
regenerativos. Se establecieron criterios para la configuración de los dispositivos electrónicos inteligentes  
IEDs, soportados por tecnología FPGA. Se ha aplicado redes neuronales artificiales, en sus funciones  
específicas de identificación de sistemas, modelado dinámico, control avanzado y acoplamiento de los  
esquemas reconfigurables. Se obtiene como resultados el diseño conceptual de la plataforma bajo criterios  
de sostenibilidad y responsabilidad ambiental, una matriz de códigos para el configuración remota de los  
elementos y un modelo con arquitectura LFSR para el sistema de convertidores de energías renovables.  
Todo esto permite aportar en la migración hacia nuevas tecnologías y modelos sostenibles de la matriz  
energética, con estimación en línea del impacto ambiental y eficiencia de los nuevos desarrollos.  
Palabras Clave: Dispositivos Electrónicos Inteligentes – IEDs, Energías Renovables, Cogeneración  
Eléctrica, Redes Eléctricas Inteligentes, Modelo LFSR.  
RESEARCH PLATFORM OF RECONFIGURABLE  
ELECTRICAL NETWORKS OF RENEWABLE  
ENERGIES APPLYING LFSR MODELS  
Abstract: This research presents a platform for modular adaptation of electrical networks, with the  
aim of adapting the production of renewable energy. The concept of a science park for research in  
sustainable technology, based on a reconfigurable scheme, concatenation of converters and energy  
storage with sequential feedback, it in the framework of regenerative systems. Criteria were established  
for the configuration of intelligent electronic devices IEDs, supported by FPGA technology. Artificial  
neural networks have been applied, in their specific functions of system identification, dynamic  
modeling, advanced control and coupling of reconfigurable schemes. As a result, the conceptual  
design of the platform is obtained under criteria of sustainability and environmental responsibility, a  
matrix of codes for the remote configuration of the elements and a model with LFSR (Lineal Feedback  
Shift Register) architecture for the renewable energy converter system. All this makes it possible to  
contribute to the migration towards new technologies and sustainable models of the energy matrix,  
with online transformation of the environmental impact and efficiency of the new developments.  
Keywords: Intelligent Electronic Devices - IEDs, Renewable Energy, Electric Cogeneration, Smart Grid,  
LFSR Model.  
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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 23, Nº 95 Diciembre 2019 (pp. 103-115)  
Sandova l eta l . , P lat a f orma d ei n vestigaci ó ndered e se léc tricasreco nfi gu rable se.  
I.INTRODUCCIÓN  
se pueden realizar simulaciones y pruebas en un ámbito  
En esta investigación se plantea un modelado de completamente virtual, anticipando necesidades futuras  
esquemas híbridos de energías renovables, con adapta- y evitando fallos en el entorno real [2].  
ción en sitio, a través de tarjetas FPGA. Lo que permite  
Seguidamente, se analizan los avances en migración  
la actualización y configuración dinámica, bajo criterios tecnológica del sector energético. En [3] se presenta  
de máxima eficiencia. Una arquitectura reconfigurable un modelo de reconversión de una planta termoeléc-  
ofrece ventajas en el campo de investigación y desarro- trica, alimentada de carbón, en una planta con nueva  
llo de sistemas eléctricos de potencia, integrando ener- tecnología, a fin de lograr un importante aumento de  
gías renovables y nuevas tecnologías. Es en tal sentido, la eficiencia y reducir las emisiones. En el que se apli-  
que se propone una plataforma de soporte para migra- ca el concepto de plantas de energía digital y paquetes  
ción escalonada de centrales eléctricas convencionales. de software con integración de conceptos tecnológicos  
Es así como surge la idea de una arquitectura adap- para Plantas Eléctricas Digitales [2-4]. Igualmente, se  
tativa, para relacionar estas nuevas etapas (termo-so- estudian las diversas tecnologías solares, sus ventajas y  
lares, eólicas, fotovoltaicas, entre otras), con la migra- campo de aplicación [5]. Así como arreglos de módu-  
ción tecnológica de los sistemas ya instalados, a través los de conversión distribuida, a través de disco Stirling,  
de dispositivos electrónicos inteligentes. Un aspecto micro-turbinas de aire comprimido, para el estudio de  
importante al considerar la reconversión de la matriz máxima eficiencia.  
energética, corresponde al impacto ambiental, donde se  
Partiendo del diseño de sistemas eléctricos de ge-  
plantea la re-utilizabilidad y reciclaje. En este tema se neración híbridos [6], el desarrollo de propuestas de  
debe tomar en cuenta el manejo de (1) residuos electró- laboratorios en tecnología sostenible, el estudio de arre-  
nicos, a través del diseño de hardware reconfigurable y glos de concentradores solares, que pueden ser tratados  
actualización usando tecnología FPGA y (2) equipos, con control adaptativo [7], así como aplicaciones en  
obsolescencia programada y su degradación en el tiem- micro-redes [8] y su sistema de comunicación. Consi-  
po. En los que se pueda desmantelar y programar la re- derando la interface de configuración de los modelos  
cuperación de materiales componentes.  
de energías renovables, así como el concepto de siste-  
De allí nace la propuesta de un modelo, el cual com- mas definidos por software [9], para su extrapolación  
prende etapas paralelas y circuitos cerrados para con- a sistemas de potencia y sus aplicaciones en centrales  
versión de energía eléctrica. Se parte del estudio de virtuales, a partir de plataformas de investigación [10].  
centrales termoeléctricas de ciclo combinado con in- Incorporando configuración remota de los dispositivos  
tegración solar. El principio de conversión de energía FPGA [11], para el desarrollo de prácticas de investi-  
termo-solar se fundamenta en el ciclo de Rankine, es gación, así como parques tecnológicos con tecnología  
decir que la energía calórica concentrada, transportada sostenible [12]. Se plantea así, promover proyectos de  
por un fluido térmico, para producir vapor sobrecalen- investigación y desarrollo, que apliquen tecnologías  
tado para el ciclo térmico, hasta accionar una turbina emergentes para lograr un menor impacto ambiental,  
de agua/vapor. Siendo factible la incorporación de una donde no se agoten los recursos naturales. Algunas in-  
etapa de conversión de energía renovable, a través de vestigaciones presentan optimizaciones de las centrales  
una caldera solar para accionamiento combinado de la de ciclo combinado [13], la integración de calderas so-  
turbina de vapor.  
lares [14] y adaptaciones híbridas.  
La estructura de elementos concatenados con reali-  
El objetivo de la investigación es diseñar una plata-  
mentación lineal, LFSR (Lineal Feedback Shift Regis- forma de investigación, basada en un esquema LFSR  
ter), es el esquema propuesto para la realimentación, los para sistemas de potencia, que permitan el manejo  
sistemas de recuperación de energía y almacenamiento, digitalizado y eficiente de la central eléctrica, para la  
en la adaptación a un modelo termo-solar híbrido.  
migración tecnológica. La idea fundamental es obtener  
En primer lugar, se estudian los conceptos de control una solución simple, de bajo costo y sostenible, para la  
adaptativo sobre sistemas de potencia [1] e Industria conversión de energía. En este punto el concepto de sis-  
4
.0, correspondientes con: Inteligencia Artificial, Rea- tema inteligente viene a aportar una solución. A través  
lidad Virtual, Machine Learning, Big Data, Gemelos de un modelo adaptativo, con capacidad de reconfigura-  
Digitales. Este último, resulta especialmente útil en la ción para diversas funciones, adaptando la arquitectura  
optimización de equipos y sistemas, por permitir el mo- convencional de una planta de generación, basada en el  
delo virtual de los componentes. Igualmente, a través concepto de auto-similitud fractal con modelos electró-  
de la Inteligencia Artificial se replican procesos en en- nicos y neuronales para un modelo de arreglo secuen-  
tornos virtuales, que facilitan su estudio. De esta forma, cial de turbinas LFSR (n,k).  
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II.DESARROLLO  
dos como son los concentradores solares de la tecnolo-  
Estudio de Esquemas de Sistemas Eléctricos de Po- gía seleccionada e intercambiadores solares HTF (Heat  
tencia  
Transfer Fluid). Existen varios motivos para desarrollar  
Las plantas hibridas consisten en centrales térmicas centrales híbridas con el objetivo de maximizar la efi-  
pueden ser de carbón, gas, fuel, biomasa y ciclos com- ciencia disminuir el consumo de combustibles no reno-  
(
binados), con un componente hibrido solar, donde parte vables y emisión de gases contaminantes.  
de la energía necesaria para calentar el vapor proceda  
Sin embargo, todos estos aspectos positivos se ven  
de la irradiación solar, con el consiguiente ahorro de comprometidos por (a) el aporte final de potencia res-  
combustible y de emisiones. Gracias a este esquema, pecto a la inversión de desarrollo de los sistemas ter-  
se combinan las características de las centrales térmicas mo-solares, en este punto se plantea un sistema híbrido  
de combustibles (que pueden producir energía de forma con máximo aprovechamiento de los recursos y reali-  
constante) y las centrales térmicas solares, que no re- mentación adaptativa [17], (b) los costos de manteni-  
quieren consumo de combustible. La tecnología ISCC miento de los colectores solares, para lo cual se propo-  
(Integracion Solar en Ciclos Combinados) es semejante ne un sistema inteligente para la inspección y limpieza  
al de una planta de ciclo combinado convencional, don- de los concentradores, basada en robótica tele-operada  
de se aplican sistemas de recuperación de calor, se les [18], así como el monitoreo y posicionamiento de co-  
añade el calor proveniente del campo solar, resultando lectores para máxima eficiencia, con un diseño elec-  
en un aumento en la capacidad de generación de vapor. trónico a la medida, que pueda solventar los requeri-  
El recurso solar sustituye parcialmente el uso del com- mientos de estos, (c) el modelo de migración, un diseño  
bustible, con el ahorro de emisiones que ello supone.  
reconfigurable con etapas pre-conversión en paralelo,  
Por su parte, el concepto de cogeneración [15] está con equipos integradores híbridos (dimensionados para  
asociado a la producción de energía a partir de varias actualizaciones y expansión), facilitarán la migración  
fuentes primarias, igualmente se aplica para la produc- hacia la optimización práctica, partiendo de un estudio  
ción de más de una energía resultante, como es el caso teórico y los hará más competitivos.  
de conversión de energía eléctrica y aprovechamiento  
de la energía térmica, en procesos asociados. El inter- Estudio de Tecnología Solar  
cambiador de calor recibe el nombre de generador de  
Igualmente, se considera el estudio de tecnologías.  
vapor por recuperación de calor (HRSG, por sus siglas Teóricamente, el campo solar se construye a partir de  
en inglés), donde se identifica su similitud con los ele- tecnología de concentración solar: (a) Cilindro Parabó-  
mentos de almacenamiento para realimentación del es- lico, la forma del espejo concentrador y la movilidad de  
quema LFSR.  
este arreglo lo hacen más complejo, con facilidades en  
Los proyectos tipo ISCC permiten ahorrar combus- modularidad de la tubería. (b) Fresnel Lineal, se trata  
tible y mejorar su rendimiento energético [16]. Lo im- de espejos planos, con control sincronizado de los ejes,  
portante de estas alternativas híbridas es la posibilidad lo que resulta de fácil mantenimiento. (c) Torre Central,  
de su integración en centrales ya instaladas, en las que logra manejar temperaturas de 650°C, para esta tecno-  
se puedan disminuir los costos asociados a implementa- logía se deben estudiar los modelos ópticos y térmicos  
ción aprovechando los activos disponibles (como turbi- del sistema de concentradores solares [19]. Las espe-  
nas de vapor, transformadores, HRSG, válvulas, bom- cificaciones para la plataforma de investigación están  
bas, etc), adaptando las etapas del sistema de forma planteadas en la Tabla I.  
eficiente. Destacando el diseño de los módulos requeri-  
Tabla I. Especificaciones de la Plataforma de Investigación en Tecnología Solar.  
Elementos ópticos híbridos de refracción (etapa externa) y reflexión (etapa interna), con capacidad adaptativa  
Panel frontal plano, estructura cubierta herméticamente, para protección de contaminación, humedad, agentes corrosivos y  
para simplificación del procedimiento de limpieza automatizado  
Convertidor Híbrido de tecnología Termo-So lar y Fotovoltaica de concentración HCPV, para disminuir el material  
fotovoltaico y los costos asociados.  
Estructura liviana y paneles reflectantes flexibles, a fin de disminuir la carga de los motores en el seguimiento.  
Digitalización de señales de monitoreo y control de Temperatura y características eléctrica de forma remota.  
Diseño robótico para limp ieza de paneles frontales con mecanismo neumático (módulo principal), con sistema de  
recolección de agua de lluvia para limpieza en mantenimiento mayor.  
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Las perdidas asociadas al transporte del fluido tér- de seguimiento solar de un eje que minimiza el ángulo  
mico, así como filtraciones en las tuberías, juntas y se- de incidencia a lo largo del día, aumentando el rendi-  
llos, que requieren un mantenimiento periódico, pueden miento, s 푊e gú n− l a푊s configuraciones de las Turbinas Hí-  
̇
̇
푇 퐶  
휂
=
ꢀ
ser solventadas con la conversión energética de manera bri d푇 a퐺 s en Ciclos Combinados, con Turbina de Gas (TG)  
� 퐻  
푐
푓
distribuida. En los módulos de conversión se plantea el y Turbina a Vapor (TV), con combustión secuencial (ec.  
análisis de rendimiento a través de lentes reconfigura- 1.1) y (ec. 1.2).  
̇
푊 − 푊  
=
̇
푇
퐵
bles, recuperadores de calor, frontal plano y mecanis-  
mo hermético para optimizar el mantenimiento. En la  
Figura1, se resume la clasificación de tecnologías para  
su análisis y consideraciones del diseño de tecnologías  
híbridas.  
휂푇푉  
̇
푄
푐
(1.1)  
(1.2)  
Donde W ̇ : Potencia producida por la Turbina. W Ċ :  
T
Potencia Consumida por el compresor y W ̇B: Potencia  
Consumida por la Bomba.  
Estos modelos de eficiencia en relación a la potencia  
consumida por los equipos del sistema de potencia y la  
potencia producida por ciclo/etapa, permitirá la estima-  
ción del rendimiento y así analizar las diversas configu-  
raciones, siendo un insumo de importancia al momento  
de diseño en línea. Se pueden así plantear ciclos combi-  
nados con condiciones iniciales basadas en un modelo  
particular, como puede ser tecnología termo-solar para  
las horas de máxima radiación y la configuración de un  
ciclo con realimentación lineal, que permita sostener  
Figura 1. Tecnologías de los Colectores Solares  
Modelo de Arreglo de Turbinas Auto-Secuencial la producción en horas de mínima radiación, así como  
LFSR  
otras combinaciones de acuerdo a las condiciones cli-  
En [20] se presentan diversas configuraciones de máticas, ambientales y la demanda energética.  
turbinas, donde se aplica el concepto de ciclo regenera-  
tivo, el cual consiste en hacer una extracción de vapor  
Sistema Reconfigurable de ERNC con arquitec-  
en la turbina, y emplear esta extracción para calentar tura LFSR  
el agua de alimentación, realimenta vapor no comple-  
El concepto desarrollado comprende la integración  
tamente expandido para la caldera, a fin de aumentar de elementos en un esquema LFSR, con turbinas se-  
la temperatura. Esta arquitectura mejora el rendimien- cuenciales en un sistema reconfigurable de conver-  
to debido a que se aprovecha el calor de vaporización tidores de energías – SRCE. Entre las alternativas se  
del agua aunque sea de una fracción del total, del modo presenta la opción de caldera híbrida (Solar / Residuos  
convencional se tendría que ceder todo este calor a otro Sólidos Urbanos / nuevas tecnologías con bajas emi-  
sistema. En la generador de vapor solar, la energía cap- siones de CO2), para accionamiento de turbinas de va-  
turada por los colectores, van a un intercambiador de por. Así como turbina accionadas por aire comprimido  
calor en el que se genera el vapor de agua, y es enviado (motor-generador), aprovechamiento de calor regene-  
a la caldera del ciclo de potencia, CRC – Calderas con rativo. Integración de energías renovables eólica-solar  
recuperación de calor. El campo solar está dispuesto de parques remotos, la aplicación de tecnología 4.0 en  
en lazos en paralelo, cuenta con varias secciones con la gestión de los equipos (transformadores de potencia,  
válvulas de control para la gestión del aceite térmico a motores, turbinas, entre otros), con digitalización y mo-  
través de la instalación. Además incorpora un sistema nitoreo remoto, como se observa en la Figura 2.  
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Plataforma en Tecnología Sostenible  
Se plantean alternativas de redes eléctricas sosteni-  
bles, al mismo tiempo se deben implementar mecanis-  
mos de bio-remediación y regeneración ambiental. Esto  
a través de la protección de parques, árboles, vegetación,  
bosques, hábitat de fauna y flora (áreas forestales, gla-  
ciares, ambientes marinos, etc.), para la recuperación de  
espacios naturales. Así como el uso racional de recursos  
naturales, los ciclos combinados con almacenamiento  
de energía, realimentación bajo el esquema LFSR (para  
de aire comprimido multi-etapa), así como el reciclaje  
de materiales de equipos y dispositivos electrónicos. En  
Figura 2. Sistema Híbrido de ERNC con arquitectura cada proyecto, se requiere el análisis y estimación de  
LFSR  
impacto socio-ambiental, en fase de diseño, implemen-  
tación, vida útil y desmontaje, para lo cual se diseñó un  
A partir de estas tecnologías se ha propuesto la in- formato de verificación y asignación porcentual de la  
tegración modular de componentes y características de matriz energética híbrida, así como un espacio para el  
una plataforma con las especificaciones del sistema, diseño / optimización de micro-proyectos. Todos estos  
que puedan ser configuradas de forma remota, basados en el marco de redes eléctricas inteligentes, en las que  
en el modelado de estos esquemas en lenguaje VHDL se evidencie un compromiso de respeto y responsabili-  
-
VHSIC (Very High Speed Integrated Circuits) Hard- dad ambiental, como se presenta en la Tabla II.  
ware Description Language.  
Tabla II. Criterios de Diseño del Modelo SRCE con arquitectura LFSR  
Condiciones  
Criterios / Remediación  
Filtrado y técnicas de remediación ambiental  
Bio-Modelos de regeneración de aire, vegetación y algas, tecnología de filtros de CO2.  
Modelo Híbrido de Caldera para concentración Solar  
Módulos inteligentes de ahorro de agua, sistemas neumáticos  
mantenimiento.  
Contaminación del Recurso Natural  
Capacidad de los recursos naturales  
Tratamiento / Reciclaje de materiales  
y vapor par  
Reutilización de Componentes de Ciclo Combinado para migración hacia Tecnología  
Sostenibles  
Cometas AS (Aero-Solares), papagayos con función de conversión solar-eólica  
Eficiencia eólica por altura. Irradiancia (W/m2) con menor efecto óptico por masa de aire  
Filtrado selectiva de radiación solar para superficies de glaciares y áreas forestales.  
Robótica de clasificación y reutilización de materiales  
Eficiencia termodinámica basada en recuperación de calor, a través de adaptación d  
captadores modulares, para disminuir la disipación de calor al ambiente.  
Bio-remediación (aplicados a agua/aire)  
Protección de Glaciares y áreas  
forestales  
Contaminación por plástico (mares)  
Recuperación de Calor residual  
Tratamiento de COx  
Residuos de componentes /  
tecnología  
Reconfiguración Dinámica del Sistema de Potencia.  
Reutilización de recursos, reciclaje tecnológico y tecnología circular.  
Diversidad y abundancia de especies I&D en línea del comportamiento del modelo: Protección del hábitat natural con e  
Alteración del hábitat  
mínimo impacto ambiental y monitoreo de condiciones para mejorar las condicione  
ambientales.  
Optimización de espacio en los módulos de conversión híbridos de energías renovables.  
Especies protegidas y en peligro  
Diversidad y abundancia de especies Desplazamiento Dieléctrico, como conversión a través de microelectrónica, usando l  
Especies terrestres, acuáticas, aves  
Especies protegidas y en peligro  
Empleo  
vibración / resonancia selectiva, para disminuir el impacto en las aves y paisaje.  
Integración de vegetación para protección de la fauna.  
Tele-Trabajo y Actualización en Tecnologías Sostenibles  
Educación Ambiental  
Educación  
Salud  
Remediación ambiental, paisajismo con techos verdes, rejillas / paneles hidropónicos  
integración de cubiertas vegetales en espacios urbanos, refrigeración pasiva.  
Análisis Remoto de Fallas para programa de Mantenimiento eficiente  
Modelo de ciclos secuenciales LFSR en la etapa de conversión  
Sistema de Control Distribuido DCS basado en IEDs sobre FPGA  
Reconocimiento de planta por modelado RNA  
Calidad / modificación del paisaje  
Rendimiento del Sistema  
S.R: Sistemas Residuales, H.C: Calor / Contaminantes, R.N: Recursos Naturales.  
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Algunos de los elementos del diseño conceptual de investigación en el área de energías renovables y efi-  
la plataforma se presentan en la Figura 3.  
ciencia energética, reciclaje electrónico y reutilización  
de recursos. El objetivo es disponer de un entorno para  
la optimización de tecnología aplicada a las diversas  
configuraciones y el modelo de arreglo auto-secuencial  
LFSR y arreglo concurrente [22]. De manera, de estu-  
diar el rendimiento de los arreglos de acuerdo a la con-  
figuración adaptada, la eficiencia energética de arreglos  
particulares y el impacto ambiental.  
Un parque científico – tecnológico con módulos de  
investigación, basados en los componentes instalados,  
como eje didáctico de un laboratorio piloto, presenta la  
posibilidad de una interface de acceso remoto, para en-  
sayos y diseño colaborativo. El impacto ambiental se  
puede considerar a partir de estimar el rendimiento de la  
unidad de producción, en función de la relación de con-  
Figura 3. Diseño Conceptual de la Interface de Con- sumo de combustible y la salida de potencia generada.  
figuración  
Igualmente, al momento de diseñar el sistema eléctrico  
de potencia, se deben considerar conceptos como reuti-  
En el modelo propuesto destaca el arreglo LFSR, lización de equipos componentes y reciclaje.  
como una estructura de concatenación con realimenta-  
ción lineal. En este caso, esta arquitectura aplicada para Migración Tecnológica de Centrales Eléctricas  
la producción de energía con fuentes renovables, se ha  
La estrategia de migración comprende la incorpora-  
seleccionada basada en el principio híbrido de estruc- ción de tarjetas de hardware FPGA, configuradas para  
tura paralela con ponderación adaptativa y control por tratamiento neuronal de los sistemas. El diseño define  
FPGA – Field Programmable Gate Array, para la recon- dispositivos plug and play, con firmware de reconoci-  
figuración dinámica del esquema de conversión híbrido miento para la configuración de los equipos y la arqui-  
[
21].  
tectura, de forma remota, lo que facilita actualizaciones  
en línea, optimizaciones y control distribuido – DCS, a  
partir de neuro-IEDs. Estos IEDs, tienen función de me-  
III.METODOLOGÍA  
Se ha seleccionado establecer una plataforma SW/ dición de parámetros, estimación de potencialidades e  
HW para el diseño en línea, monitoreo, configuración impacto ambiental, para reconfiguración de la arquitec-  
de parámetros y arquitectura de la central eléctrica. tura, así como control inteligente y soporte de tele-ope-  
Todo con el objetivo de dar soporte a actividades de raciones, diseñados para la gestión de los módulos de  
formación, actualización e investigación en tecnologías conversión W-IED, PV-IED, RSU-IED, CAES-IED,  
sostenibles. Entre las prácticas experimentales conside- TS-IED, etc, para la gestión de la central virtual de  
radas se tiene el control de los convertidores solares. energía, en la que se combinan software de soporte y  
Ensayos para el seguimiento automático de concentra- hardware distribuido. Uno de los aspectos a considerar  
dores en formato centralizado y distribuido, haciendo entre los criterios de diseño, corresponde a la tecnolo-  
uso de los equipos de una ISCC, con adaptación de la gía de los convertidores y comparación de los aspectos  
planta al formato de parque científico con nuevas tec- asociados a eficiencia, impacto ambiental y costos de  
nologías.  
mantenimiento, que permiten estimar el desempeño del  
Una vez detectada la necesidad de actualizar la tec- diseño en el tiempo. Esto bajo el principio de hardware  
nología a energías renovables. Otro aspecto de interés, circular, donde se propone estudiar las similitudes entre  
corresponde a la necesidad de actualización del recurso las tecnologías y estructuras de la plataforma de sopor-  
humano, para su adaptación a las nuevas tecnologías, te, a fin de identificar potencialidades de adaptación de  
garantizando su continuidad y la eficiencia de la planta, equipos. Al mismo tiempo se requieren considerar con-  
siendo indispensable crear un espacio de capacitación ceptos de nuevas tecnologías, (física y mecánica cuánti-  
e investigación, para avanzar en el proyecto de migra- ca, en la configuración de micro-estructuras, a través de  
ción tecnológica. Igualmente estos laboratorios ten- software) para la optimización de componentes como  
drán funciones de desarrollo de tecnología, así como la convertidores fotovoltaicos, filtros de CO2 y otros ele-  
prestación de servicios para universidades y centros de mentos del sistema eléctrico de potencia.  
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Sandova l eta l . , P lat a f ormad ei nve stigaci ó n d eredes e léctr i cas reco n fi gu r abl es
En el sistema de seguimiento de los captadores sola- el fin de optimizar el espacio de los campos solares, se  
res, la menor frecuencia de accionamiento de las partes pueden considerar disposiciones similares, para siste-  
móviles, representan menor desgaste, deformación y mas fotovoltaicos flotantes, paneles de bio-remediación  
deterioro en el tiempo, simplificando el procedimiento con cultivo de algas marinas, dada su importancia en  
de mantenimiento de estos elementos.  
el ecosistema y sus aplicaciones industriales, así como  
En el laboratorio tecnológico se deben analizar alter- sistemas fotovoltaicos plegables como cometas, sus-  
nativas como Jardines o Huertas Solares, recuperando pendidos en el aire, con función de cobertura de pro-  
espacios del hábitat de los polinizadores. Una forma es tección de glaciares y sistemas sensibles a la radiación  
compartir las áreas de huertos y coberturas fotovoltai- solar, teniendo en cuenta que el aire funcionaría como  
cas Agro-PV, a favor del equilibrio de los ecosistemas. medio de refrigeración de los módulos PV y aumentaría  
Asimismo, es necesario medir el impacto ambiental en su eficiencia. Lo que permitió establecer adaptaciones,  
todas las etapas del proyecto y la vida útil de las insta- se estudió la actualización por etapas de la central ter-  
laciones solares. Instalaciones Flotantes fotovoltaicas. moeléctrica convencional, con propuestas de solución  
Del mismo modo, como se propone el diseño de mó- sostenible, ésta es presentada en la Tabla III.  
dulos bi-funcionales para instalaciones terrestres, con  
Tabla III.a. Alternativas Eco-Adaptativas por etapas  
Sistemas y Etapas (condiciones iniciales / transitorio)  
Generación de calor (condición inicial)  
Turbina de Vapor  
Alternativas Eco-Adaptativas  
Colectores Solares y Calderas con accionamiento solar  
Adaptada a turbina configuración secuencial y Tecnología  
Híbrida  
Perdidas de Calor en disipadores y radiadores  
Ges tión de Residuos  
Recuperación de calor en equipos eléctricos  
Sistemas Cero Residuos / Bio-Remediación  
Tabla III.b. Criterios de Diseño de la Propuesta  
Criterios Ambientales  
Criterios Sociales  
Matriz energética 100% Energías Renovables  
Eficiencia Energética de las unidades producción  
Reutilización de Equipos y componentes  
Aplicación de IEDs actualizables en el tiempo  
Soporte de control avanzado para Energías Renovables  
Incentivo científico-tecnológico en Sostenibilidad  
Adaptación de puestos de trabajos al personal actual  
Capacitación del personala las nuevas tecnologías  
Incorporación de asesorías en línea  
Creación de alianzas estratégicas con universidades  
Programas permanentes de formación  
Seguridad energética y Desarrollo Sostenible a las comunidades  
De esta manera, se pueden asignar pesos a cada tipo jetivo de identificar su comportamiento, el cual puede  
de conversor de energías renovables, simplificando los ser copiado por una red neuronal artificial, como geme-  
sistemas y aplicando principios de ciclo combinado. lo digital que permite conocer más del sistemas, de for-  
Los recuperadores de calor asociados a un nuevo con- ma de adaptar nuevos componentes y actualizaciones  
cepto de redes inteligentes, tiene como objetivo aprove- con tecnología sostenible.  
char la energía térmica que se genera de forma indirecta  
2.Reconfiguración remota del Sistema, amplía la  
en diversos procesos, sustituir los disipadores de calor aplicación de hardware reconfigurable a sistemas de po-  
de equipos industriales y urbanos, reemplazándoles por tencia, a través del acoplado electromecánico de partes  
concentradores, almacenadores y una red de distribu- y ejes, usando tecnología FPGA para la configuración  
ción, con lo que el efecto de aumento de temperatura remota.  
ambiental pueda verse mitigado. Para el tratamiento  
3.Modelos Dinámicos de Componentes, se estable-  
del sistema inteligente de cogeneración eléctrica con ce una red neuronal multicapa, para el modelado diná-  
realimentación, se propone el diseño de dispositivo mico de los componentes y equipos, obteniendo así las  
inteligentes IEDs [8]. Esto para el acoplamiento entre ecuaciones matemáticas que representan las etapas del  
las etapas de conversión en el modelo híbrido de reali- sistema.  
mentación lineal, siguiendo la extrapolación del modelo  
neuro-adaptativo LFSR.  
4.Dispositivos Electrónicos Inteligentes IEDs, com-  
prende la configuración de los elementos electrónicos  
de monitoreo y control, a través de una red de comuni-  
cación, que permite interactuar con los dispositivos de  
Digitalización de Central Termo-Solar  
1
.Identificación de Sistemas, comprende el análisis potencia, de forma inteligente.  
de señales de salida de los equipos instalados, con el ob-  
5.Neuro-Procesamiento de Imágenes, en esta fun-  
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Sandova l eta l . , P lat a f orma d ei n vestigaci ó ndered e se léc tricasreco nfi gu rable se.  
ción se asigna al sistema de monitoreo inteligente, el análisis de señales, a través de redes neuronales con-  
análisis y diagnóstico de fallas en los equipos, a partir volucionales profundas CNN, redes pre-entrenadas y  
de imágenes de termografía [23], que puedan prever el transferencia de aprendizaje, dando como conjunto de  
estado de operación de estos (ver Figura 4). Para este entrenamiento señales relacionadas con los equipos de  
procesamiento se puede seleccionar clasificación y potencia.  
Figura 4. Procesamiento Neuronal de Señales Termo-gráficas  
6
.Monitoreo y Control Digital, corresponde a la in- la eficiencia de las salidas de los elementos que compo-  
teracción a distancia del control distribuido del sistema, nen la estructura, en el caso del modelo híbrido vendrá  
así como la digitalización y monitoreo de condiciones dado por la eficiencia de las turbinas que producen ener-  
de los componentes del sistema. Comprende funciones gía, siendo está la relación de potencia producida W y  
p
sobre los equipos manejados a través de mecanismos potencia consumida Wc, en los elementos para el ac-  
robóticos, para limpieza automatizada de los colectores cionamiento de la turbina de conversión (bombas para  
solares, entre otros.  
turbinas hidroeléctricas o vapor de agua producido por  
7
.Mantenimiento Preventivo en Línea, en esta fun- calderas termo-solares, compresores para fluidos gaseo-  
ción se pueden programar las actividades de manteni- sos como aire comprimido, entre otros) y c el coeficien-  
p
miento preventivo, condiciones de supervisión y ran- te de conversión. Del estudio se propone centralizar la  
gos de funcionamiento, para generar avisos pertinentes, caldera como colector principal (caldera solar) en lugar  
así como optimizaciones en función de parámetros de de la tubería para disminuir pérdidas de distribución del  
eficiencia. Con estas funciones el DCS – sistema de fluido térmico, con el objetivo de aumentar la eficiencia  
control distribuido, adquiere un nuevo enfoque, con ob- térmica del sistema en la etapa previa a la turbina de  
jetivos de control y de monitoreo para mantenimiento vapor.  
preventivo, correctivo, con parámetros de medición de  
eficiencia.  
Modelo de Sistema Reconfigurable de Convertido-  
res de Energía  
IV.RESULTADOS  
El modelo de central eléctrica de sistemas reconfigu-  
Se obtiene entre los resultados una propuesta gene- rables, consta de un conjunto de ramas o etapas adapta-  
ral, basado en la extrapolación de conceptos de arreglos tivas, que pueden ser integradas de manera escalonada  
secuenciales con realimentación para la configuración al diseño, con realimentación de energía para la recu-  
de las turbinas, acopladas al diseño con fuentes de ener- peración de recursos y una mayor eficiencia energética.  
gías renovables. Un conjunto de códigos para el soporte En este esquema se destaca el monitoreo de señales di-  
de la plataforma en tecnologías sostenibles, que permi- gitales, así como la configuración de componentes a tra-  
tan la configuración remota de la central termo-solar, vés de dispositivos de hardware reconfigurable, como  
así como consideraciones y criterios del parque tecno- solución tecnológica.  
lógico, su actualización y mantenimiento en línea. En  
base a esto, se establece el modelo híbrido con reali-  
mentación se obtendría la ecuación 3.  
푦 ꢁ = &푛 푤 � 푥 + 푦(ꢁ − 1)  
(3)  
푖=1  
푖
푖
Se tendrá la concatenación de elementos converti-  
dores y la realimentación de energía y subproductos del  
proceso de conversión, especificada como y(t-1). Esta  
ecuación permite describir el ordenamiento de los com-  
(2)  
Esto se traduce en la eficiencia del sistema con mo- ponentes del sistema, para la tele-configuración diná-  
delo LFSR (realimentación lineal secuencial) en un mica y un comportamiento auto-organizado de la red  
instante p, vendrá dado por la eficiencia acumulada y inteligente (Smart Grid).  
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Estos sistemas presentan una dinámica compleja, ne un sistema regenerativo, con un régimen transitorio  
que debe ser abordada con un esquema de control para y un régimen permanente, con control selectivo y los  
modelos híbridos y como una ampliación teórica de la elementos almacenadores de energía potencial (neu-  
optimización, a partir de estructuras LFSR, en su apli- mática, hidráulica, química, entre otras), que pueden  
cación para control de procesos dinámicos de conver- ser realimentadas. Se han definido etapas y establecido  
sión de energía (considerando que estos dependen de la similitud entre los componentes del modelo LFSR,  
las condiciones climáticas, requieren de un sistema de como se muestra en la Tabla IV.  
almacenamiento de energía). De esta manera se propo-  
Tabla IV. Esquema conceptual del modelo sostenible  
Modelo / Et a pa  
DeCOx  
Características / Resultados  
Módulos integrados de conversión de Alternativas de bajo ImpactoAmbiental: Agro-PV, BU, etc.  
Resultados del Modelo  
(
Investigación)  
energía  
Ecuación Generatriz del modelo Identificaciónde correspondencia de componentes del modelo  
fractal  
Adaptación de Infraestructura Smart El e m ent o  
City  
Et a pa Electrónica  
Multiplexores  
Multiplicador /AND  
XOR  
Et a pa Potencia  
FPC A  
Desarrollo)  
Fun ción de los  
Módulos  
Diseño de IEDs  
en VHDL  
Tecnología  
FP GA  
Selectores  
R-IEDs  
(
Operadores  
Sumadores  
Convert. / Compr.  
Válvulas XOR  
Módulo  
Bi-  
e-Reciclado  
direccional  
Gest ión  
ambiental  
Micro-plantas  
portátiles  
panel PV  
μC OpenSource  
Me m oria  
Registros (FF)  
Baterías / Tanques  
Energía alternat.  
con  
Implement ación de las tarjetas Realimentación  
Bus de datos (símb.)  
diseñadas  
C Te l eBo t  
Capacitación)  
Tareas  
mantenimiento  
Estandarización de procedimientos  
de  
tele-robótica  
de Tele-Trabajo bajo criterios de responsabilidad socio-ambient al y  
generalización,paraoptimización.  
(
El primer punto corresponde al estudio y adaptación partir de la digitalización de la central, así como la apli-  
de la infraestructura de manera modular o coordinación cación de redes neuronales para modelado dinámico de  
centralizada, el diseño de las tarjetas para monitoreo y equipos eléctricos, con el fin de simplificar los procesos  
control de las aplicaciones, fabricación de micro-plan- de desarrollo, en la optimización de los convertidores  
tas fotovoltaicas para autonomía de los usuarios, etc. de la central. Es allí donde se aplica el concepto de ge-  
entre las soluciones reciclaje electrónico, para promo- melo digital, que permite conocer e interactuar con el  
ver la recuperación de componentes, un modelo basado modelo virtual de la central / laboratorio remoto, com-  
en Energías Renovables No Convencionales – ERNC, binando estrategias de hardware/software, en el proceso  
teleconfiguración remota y robótica distribuido, para la de co-diseño.  
red energética. Se presenta un concepto innovador al  
El diseño de sistemas electrónicos inteligentes para  
definir sistemas configurables de energías, como tec- el control de redes eléctricas distribuidas [24-25] es  
nología disruptiva frente a las Smart Grid. Adicional- una área de investigación que propone alternativas de  
mente, se integra responsabilidad ambiental: reutiliza- solución en materia energética corresponde a las redes  
ción de componentes, ciclos de regeneración ambiental, eléctricas inteligentes [26-27], en las cuales se pueden  
remediación de efectos contaminantes y estrategias de manejar conceptos de redes reconfigurables, donde el  
conservación para los ecosistemas  
diseño puede considerar las condiciones de demanda  
energética, incorporando técnicas de control avanzado  
FPCAbasado enArquitectura Reconfigurable LFSR e inteligencia artificial [28].  
Una matriz energética carbón-free, puede ser adap-  
La configuración del esquema puede integrar siste-  
tada a partir del concepto Fractal Programmable Con- mas de energías renovables, bajo criterios de sostenibi-  
verters Arrays – FPCA. Éste tendrá un impacto positivo lidad y con alto nivel de eficiencia, como se presenta en  
en la disminución de residuos contaminantes y en las [29-30]. Adicionalmente, la revalorización de los sub-  
actividades de mantención de la central / nuevo modelo productos y residuos sólidos urbanos – RSU (cáscaras  
parque científico tecnológico – PCT. En la formulación y otros residuos postcosecha), que pueden ser aprove-  
de resultados para el parque tecnológico se incorpora chados para producción de electricidad con la infraes-  
el modelado y simulación de los equipos en software, a tructura de la termoeléctrica, en aplicaciones híbridas  
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de calderas y reciclaje de subproductos (hardware cir- de espacios, con técnicas naturales como reforestación  
cular), reciclaje de materiales electrónicos, aplicación y cubiertas forestales hidropónicas, a fin de que estos  
de pigmentos fotosintéticos (a base de algas), en sensi- sean acondicionados para disminuir temperatura, filtrar  
bilización de paneles fotovoltaicos, entre otros aspectos la contaminación y proteger la biodiversidad urbana.  
de valorización de potencial. Modelos multi-etapas que  
Por último, el esquema de control, integrando un  
aporten en el proceso de conversión de energías, dentro modelo convolucional [31], para redes neuronales con-  
de un sistema reconfigurable que permita la adaptación figurables, modelos fractales [32], redes neuronales  
según las condiciones climáticas.  
[33] en el esquema de electrónico, y sistemas de alma-  
Ala vez este esquema debe ser considerar el impacto cenamiento sostenible de energías, estudiando la efi-  
ambiental, tanto en la etapa de diseño, implementación, ciencia los sistemas neumáticos CAES – Compressed  
operación, mantenimiento y desmantelado de los mó- Air Energy Storage [34-36], red de colectores de calor  
dulos de conversión. Es por ello que se plantea iniciar residual, y energía potencial. Así como tecnología sos-  
el diseño desde la adaptación y optimización de infraes- tenible [37-38] y reciclaje para un sistema inteligente  
tructura disponible, con el fin de producir el menor nú- (cero residuos y cero emisiones), basado en el modelo  
mero de residuos. De igual modo, es necesario tomar matemático del esquema LFSR (ver Figura 5).  
medidas de compensación, a través de la remediación  
Figura 5. Esquema Fractal-LFSR en Sistemas Reconfigurables de Conversión de Energía  
A partir de la generalización del modelo, se obtiene como resultado una librería en VHDL para la configuración  
de los esquemas, los componentes PLC básicos de los IEDs (ver Tabla V).  
Tabla V. Definición de Componentes Funcionales de los IEDs  
Definición del Componente en VHDL  
Código VHDL del Comportamiento  
entityRed_Neuronal is  
U1: Identificador_Sistema Port Map(x1,x2,x3,y1,y2);  
port ( yp: in std_logic_vector (7downto0); …  
wij: alg port map(wd,xi,yi); --wn+1 <= función_de_aproximación(wn)  
d1: TDL port map (in,out);  
U2: Controlador_Neuronal Port Map (u1,d1,y1);  
c1: capa_sigma port map (yp,u,a1);  
n1: neuronaport map(pi,wi,bi,y1);  
.
-
-
..  
- Modelo Neuronal / Códigos ReedSolomon / LFC (n,k)  
- Concatenación ponderada con realimentaciónlineal LFCS  
-
- Configuración de las capas intermedias y las neuronas componentes  
nS: neurona port map(pi,wi,bi,yS);  
u1: a2<=a1(6 downto 4) & (a1(3) xor a1(7)) & (a1(2) xor a1(7)) &  
cS: capa_lineal port map (a1, ym); -- Capade Salida  
(
a1(1) xor a1(7))& a1(0)& a1(7);  
-
- Generaciónde términos del LFSR:  
-
- ut: at+1 <= at(i)xor(at(m-1)andp(i)& ... for i=m-1 to 0  
entityComparador is  
port ( I : in std_logic;  
architecture Behavioral of comparador is  
process (Ent,P)  
Ent : in std_logic_vector (3 downto0);  
begin  
P
: in std_logic_vector (3 downto0); --Preset del comparador  
if (Ent = P) then  
Eo : out std_logic; -- Salida Igual  
endcomparador;  
Eo <= '1'; else Eo <= '0'; end if;  
endBehavioral;  
entityTemporizador_Contador is  
port ( I : in std_logic;  
architecture Behavioral of Temp is …  
process (Ent)  
Ent : in std_logic; -- clk / Sensor / Pulso de conteo  
begin  
P
: in std_logic_vector (3 downto0);  
if Ent= '1' andEnt’event then  
inc CT  
if (CT = P) then  
Eo : out std_logic; -- Salida de comp. Igual  
EndT emporizador;  
Signal –acumulado  
CT: in std_logic_vector (3 downto0);  
Eo <= '1'; else Eo <= '0'; end if;  
endBehavioral  
Estos códigos permiten implementar funciones de manera eficiente y capacidad de reconfiguración.  
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V.CONCLUSIONES  
Otro aspecto a mencionar, corresponde a la sim-  
Gracias al Sistema Reconfigurable de Convertidores plificación de termoeléctrica convencional. Donde los  
de Energía – SRCE, basado en la arquitectura LFSR, equipos de intercambio de calor / presión, pueden ser  
para el arreglo modular de elementos activos de la red reutilizados, haciendo viable su implementación, sin los  
eléctrica, con electrónica R-IEDs para optimización de elevados costos asociados a un proyecto en fase inicial.  
convertidores distribuidos (minimizando las pérdidas A la vez que estos equipos tendrán una función alterna-  
de transporte) y almacenamiento de energía, siendo fac- tiva, sin pasar a formar parte de los residuos eléctricos.  
tible su adaptación en un sistema inteligente de energía. Enmarcado en criterios de responsabilidad ambiental y  
Se plantea un diseño sostenible, con monitoreo, mante- bioremediación, a través de redes de vegetación hidro-  
nimiento remoto (identificación de rendimiento o fallas pónica para superficies, a fin de cumplir con funciones  
en el sistema distribuido) y gestión online. Así mismo, de aislamiento térmico, purificación de aire y belleza  
se propone la incorporación de aplicaciones, para au- paisajística, con impacto socio-ambiental positivo, en  
mentar la eficiencia energética, a través de refrigeración pro de las mejores condiciones para la biodiversidad,  
pasiva (freecooling), bombas de calor y circuitos de preservación de hábitats, la creación de bosques urba-  
recuperación de calor residual, que puedan ser adapta- nos y la sostenibilidad.  
das en la infraestructura urbana (edificaciones, parques,  
universidades). Estas soportadas sobre la plataforma de eficiencia y soluciones óptimas en la matriz energética,  
la central eléctrica virtual. bajo un modelo de redes auto-organizada, con esquema  
Se propone así, una plataforma para el estudio de la  
De esta manera, se obtiene un modelo matemático fractal. Así como la digitalización aplicando modelos  
para el diseño de aplicaciones sostenibles y redes eléc- neuronales, para la gestión remota de las instalaciones,  
tricas reconfigurables. A partir de la adaptación de las adaptación parámetros de los convertidores y control  
centrales termoeléctricas (descarbonización), la actua- adaptativo. El concepto de tele-reconfiguración a través  
lización de los equipos e infraestructura, revalorización de tecnología FPGA, permitirá optimizar la estructura  
de pasivos de la central termoeléctrica, para su apro- de los convertidores, su concatenación modular, ren-  
vechamiento en los nuevos proyectos a desarrollarse y dimiento y función objetivo, como sistemas eco-inte-  
aprovechamiento de calor residual con nuevos materia- ligentes. A la vez que los códigos en lenguaje descriptor  
les termoeléctricos, uso sostenible de los recursos, ob- de hardware VHDL desarrollados representan un aporte  
servando la interacción de los ecosistemas, diseñando para el diseño en línea de soluciones innovadoras. La  
en función de estos principios y desarrollando infraes- ingeniería debe considerar el diseño de sistemas rege-  
tructura inteligente, no contaminante. Considerando nerativos, que se inspire en esa renovación de los recur-  
criterios de eficiencia e impacto ambiental, dentro de sos y energía, dentro de un equilibrio y con principios  
un programa de educación ambiental. A través de labo- de sostenibilidad y conservación, así como la progra-  
ratorios de investigación e innovación de acceso remo- mación de reutilización y reciclaje de bajo consumo  
tos, para el estudio de las alternativas más eficientes de energético (materiales bio-degradables), incorporando  
producción de energía y unidades de producción más nuevas tecnologías en electrónica de control y equipos  
eficientes y respetuosas con el medio ambiente.  
re-configurables.  
Integrando convertidores de ERNC en un sistema re-  
configurable, se plantea escalar módulos piloto de con- REFERENCIAS  
vertidores de energía Solar Híbrida, de concentración [1]Sotelo-neyra, V., & Paredes-larroca, F. “Multira-  
fotovoltaica HCPV y Termo-Solar, basado en iniciati- te-sampling adaptive controller for an induction genera-  
vas de investigar el comportamiento de nuevas tecno- tor driven by a wind turbine Controlador por multi-tasa  
logías (disminuir la cantidad de material fotovoltaico, de muestreo adaptivo para un generador de inducción  
haciendo más eficiente el sistema, disminuyendo los accionado por una turbina de viento”. Ingeniería Inves-  
costos de implementación y aplicando recuperados de tigación Y Tecnología, 19(1), pp. 51–62. 2018. Retrie-  
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