Diseño y control de un arreglo fotovoltaico para suministrar la potencia para el funcionamiento de una planta de generación de hidrógeno.

Abstract

La conversión de la energía solar en hidrógeno se ha identificado como una solución viable para el desarrollo de energías renovables. Aunque se han realizado numerosos estudios sobre sistemas de producción de hidrógeno, la mayoría se ha enfocado en las características del electrolizador sin profundizar en la importancia de la electrónica de potencia en estos sistemas, debido a que esta permite la conversión eficiente de la energía solar en hidrógeno, la gestión de la energía y la coordinación de todos los componentes para asegurar un buen funcionamiento del sistema. En este contexto, surge la idea de realizar un estudio de una estación de producción de hidrógeno desde la perspectiva del control y la electrónica de potencia. En lugar de utilizar las topologías convencionales, se propone una configuración de convertidor DC-DC tipo Full-bridge en topología de potencia parcial para operar un electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEM). Este electrolizador se alimenta de un arreglo fotovoltaico y cuenta con un sistema de almacenamiento compuesto por baterías. Para llevar a cabo el análisis, se desarrollaron las ecuaciones de estado del sistema utilizando técnicas de promediado de circuitos y se realizó un estudio de la eficiencia del sistema operando con esta topología de convertidores. Se implementaron esquemas de control para regular la corriente de entrada al electrolizador y la corriente de carga del sistema de almacenamiento. Además, se diseñó un control maestro para ajustar las referencias de los controles individuales de acuerdo con los requerimientos específicos de la estación de hidrógeno. Los resultados obtenidos mediante simulaciones demostraron que el sistema es capaz de operar de manera estable en el punto de operación deseado con el control desarrollado. Se evidenció un resultado satisfactorio en torno al punto de operación típico del sistema al operar con cero error en estado estacionario, al someterlo a una entrada escalón desde cero a la nominal en las corrientes de referencia. El tiempo de establecimiento fue de 30 𝑚𝑠 para la corriente del electrolizador y 5 𝑚𝑠 para la corriente de carga de la batería. Además, el control maestro mostró una buena efectividad en la adaptación del sistema ante variaciones ambientales. Finalmente, se comprobó que, al emplear la topología de potencia parcial reductora conectada en serie a los paneles y en paralelo al electrolizador, se puede lograr alcanzar una eficiencia mayor o igual al 98 %. Esto se consigue mediante el ajuste de la razón de potencia que procesa el convertidor, la cual está directamente relacionada con la ganancia de voltaje entre el panel solar y la entrada del electrolizador.