Los beneficios de las fuentes y cargas regenerativas: Eliminar el costo del calor

Un resistor de potencia enfriado por aire o agua es la forma más sencilla de carga.

Un resistor tiene un perfil de carga fijo que sigue la ley de Ohm (I = V/R) 2 y convierte el 100% de la potencia de descarga (P = V*I =V/R) directamente en calor. La potencia máxima que se puede cargar depende de la clasificación del resistor.

Los resistores enfriados por aire disipan el calor en el aire. Se utiliza aire acondicionado o ventiladores para eliminar el calor generado en el área de trabajo. En entornos de laboratorio con aire acondicionado, un resistor enfriado por aire puede representar una carga simple, flexible y de muy bajo costo. Sin embargo, la cantidad de calor generado por los resistores enfriados por aire lo hace poco práctico para entornos de pruebas o fabricación de alta potencia.

Los resistores enfriados por agua tienen una conexión de agua aislada eléctricamente, lo que permite que el agua elimine el calor del dispositivo. Desafortunadamente, el agua puede contener aditivos o contaminantes que pueden producir un peligro eléctrico si el resistor está dañado o si hay una fuga en la conexión. El requisito de una conexión de agua limita dónde y cuándo se puede usar este tipo de dispositivo.

Una carga electrónica convierte el 100% de la potencia de descarga (P = V*I) directamente en calor. A diferencia de los resistores, las cargas electrónicas pueden proporcionar perfiles de carga más sofisticados, como corriente constante, voltaje constante y potencia constante, además de resistencia constante. Además, el perfil de carga se puede cambiar dinámicamente sin la necesidad de desconectar la UUT.

^{Figura 1: Carga Electrónica AC}

Las cargas electrónicas enfriadas por aire disipan el calor residual en el aire y se pueden usar en cualquier lugar de un laboratorio o espacio de fabricación, siempre que haya suficiente espacio o capacidad de enfriador de aire. Por el contrario, las cargas electrónicas enfriadas por agua disipan el calor residual a través de una conexión de agua, lo cual limita dónde se pueden usar estas cargas. Además, las pruebas se pueden interrumpir cuando el sistema de enfriador de agua está en mantenimiento.

Las cargas electrónicas regenerativas convierten la potencia de descarga (P = V*I) en electricidad utilizable para las instalaciones, aumentando así la flexibilidad de dos maneras.

Primero, se reduce la demanda total de energía, así como el costo eléctrico asociado.

En segundo lugar, la regeneración crea significativamente menos calor residual, lo que a su vez reduce la energía y el equipo necesarios para enfriar las instalaciones. Esto permite la máxima flexibilidad al planificar, actualizar o reorganizar los espacios de trabajo de laboratorio o planta de fabricación.

Considere el flujo de potencia asociado con una carga tradicional como se muestra en la Figura 2.

^{Figura 2: Flujo de potencia usando una carga tradicional}

Se proporciona energía a la UUT desde una conexión en las instalaciones. La salida de la UUT se carga con una carga tradicional, que convierte esta potencia en calor residual. Luego, se requiere energía adicional para operar un enfriador para eliminar el calor residual del espacio de trabajo. 

Suponiendo que la UUT tiene una eficiencia de conversión del 90% y proporciona una salida de 100 kW, la UUT contribuiría con 11.1 kW de calor residual de las pérdidas de conversión; la carga convierte la salida de 100 kW directamente en calor residual. Un total de 111.1 kW se convierte en 379,123 BTU de calor, lo que requerirá una potencia adicional significativa para eliminar este calor del espacio de trabajo.

La Figura 3 muestra este mismo escenario de prueba cuando se usa una carga regenerativa.

^{Figura 3: Flujo de potencia usando una carga regenerativa}

Reemplazar una carga tradicional con una carga regenerativa con una eficiencia del 92% reduce el uso de energía y el calor generado por más del 82%. La UUT aún generará 11.11 kW de calor residual por las pérdidas de conversión. Sin embargo, la carga regenerativa devuelve 92 kW de potencia de salida de la UUT a las instalaciones y aporta solo 8 W como calor residual. El calor residual total se reduce de 111.11 kW a <30 kW o de 379,123 BTU a 65,206 BTU, lo que reduce la cantidad de energía del enfriador requerida para eliminar el calor residual del espacio de trabajo.

La potencia de entrada de la UUT, Fórmula 1, depende de su eficiencia de conversión.

Fórmula 1: potencia de entrada UUT = potencia UTT/eficiencia de conversión UTT

La UUT extraerá energía de la red pública y de cualquier fuente regenerativa. Por lo tanto, la potencia total requerida (indicada en la Fórmula 2) dependerá de la potencia de entrada, la cantidad de potencia regenerada y la potencia requerida para operar el enfriador. La regeneración reduce directamente la cantidad de energía de entrada requerida y también reducirá la cantidad de energía del enfriador requerida.

Fórmula 2: potencia total de la red pública = (potencia de entrada UUT − potencia regenerada) + potencia Cℎiller

La cantidad de energía del enfriador requerida en la Fórmula 3 depende de la cantidad de energía que se convierte en calor, así como del tipo de enfriador, el tamaño y las relaciones de eficiencia energética (EER) de carga completa/parcial. Los enfriadores de aire industriales con carga completa generalmente alcanzan un EER de 10 y los enfriadores de agua similares alcanzan un EER de 20. Eliminar el calor residual mediante un enfriador de aire requiere aproximadamente un 34.12% más de potencia, mientras que un enfriador de agua requiere aproximadamente un 17.06% más de potencia.

Fórmula 3: Requisito de potencia del enfriador 

Tenga en cuenta que en este ejemplo simplificado, estamos asumiendo una relación de eficiencia energética constante para cada tipo de enfriador. La eficiencia energética real en el mundo real puede verse afectada por varios factores que incluyen, entre otros, el mantenimiento, los patrones climáticos estacionales y la cantidad de carga.

En la tabla que se proporciona a continuación, puede comparar los costos de usar una carga enfriada por aire regenerativa con una eficiencia del 92% con los costos de usar una carga estándar enfriada por aire o enfriada por agua. La tabla asume un costo eléctrico fijo de $0.15/kWh. Si se conoce el costo eléctrico promedio, la respuesta se puede escalar para determinar sus costos operativos.

^{Tabla 1: Costos de energía por tipo de carga}

^{Tabla 2: Ahorros en costos de energía por 100 kW}

El costo total de propiedad de las cargas tradicionales a menudo incluye mucho más que la compra inicial de la carga.

Las cargas tradicionales implican un mayor uso eléctrico; un mayor uso eléctrico puede requerir actualizaciones del sistema eléctrico para soportar estaciones de pruebas adicionales. Cada nueva estación generará una cantidad significativa de calor residual, lo que puede crear la necesidad de modificaciones en las instalaciones, como nuevos controladores de aire o puntos de conexión de enfriadores de agua. Además, el sistema de enfriamiento puede requerir actualizaciones y permisos del gobierno local para manejar el aumento de calor residual. Todos estos costos y más pueden asociarse con la simple eliminación del calor residual.

La regeneración, por otro lado, devuelve la energía a las instalaciones o la UUT en lugar de convertir la energía en calor residual. Las cargas tradicionales enfriadas por aire y agua también tienen costos operativos ocultos como ciclos de mantenimiento periódico, inspecciones anuales y mantenimiento diario de registros del enfriador. Además, los sistemas de enfriamiento pueden no estar disponibles cuando se realiza el mantenimiento anual para mantenerlos funcionando con la máxima eficiencia. Las pruebas se pueden interrumpir durante este apagado.

NI ofrece cargas regenerativas diseñadas específicamente para carga DC y AC. Cada carga es modular, lo que permite la expansión o el uso en paralelo para satisfacer futuras necesidades de mayor potencia de prueba. Este diseño de carga modular permite la máxima flexibilidad de pruebas y proporciona opciones de configuración inigualables, así como capacidad para una futura expansión.

Las cargas regenerativas AC y DC incluyen el ciclador y emulador de módulo de batería de DC de medio voltaje NHR-9200, el ciclador y emulador de módulo de batería de DC de alto voltaje NHR-9300 con cargas de DC de alto voltaje y la carga de AC regenerativa NHR-9430 con cargas de AC de cuatro cuadrantes. Además, el sistema simulador de red regenerativa NHR-9410 es una fuente bidireccional especial que simula el voltaje de la red pública y regenera la energía suministrada por inversores conectados a la red.

Las cargas regenerativas incluyen un avanzado sistema de medidas digitales integrado; las medidas de voltaje, corriente, potencia y energía (Ah/kWh) están disponibles de inmediato. Además, todos los modelos incluyen una función de captura de forma de onda que permite una captura de alta resolución de eventos relacionados con la energía para un análisis detallado.

^{Figura 4: El sistema NHR-9300 requiere menos de 17 kW para cargar y descargar dos baterías de 100 kW simultáneamente.}

Tanto los productos de AC como los de DC son bidireccionales, lo que significa que usted puede invertir el flujo de potencia utilizando la misma electrónica interna. Por ejemplo, el ciclador y emulador de paquete de baterías DC de alto voltaje NHR-9300 pueden operar como un sistema de carga o carga regenerativa. También puede emular baterías para probar productos relacionados con baterías. Además, la carga de AC regenerativa NHR-9430 funciona como una verdadera carga de AC de 4 cuadrantes y puede invertir el flujo de potencia para emular un inversor solar o un sistema de almacenamiento de energía. Finalmente, las características de seguridad UTT independientes de múltiples capas evitan daños por errores ambientales y del operador. Cuando se cruza el límite de seguridad, el equipo de pruebas se apaga y la salida de la UUT se desconecta como protección.

El ahorro de energía a través de la regeneración hace posible realizar pruebas de mayor potencia, a diferencia de las cargas y fuentes de alimentación estándares. Considere la configuración que consta de dos baterías que se muestra en la Figura 4: donde una batería se descarga a 100 kW mientras se carga la otra batería a 100 kW. La potencia total requerida por las instalaciones es inferior a 17 kW, compensando solo las pérdidas y significativamente menos que la potencia requerida para cargar una sola batería.

Hay una amplia variedad de aplicaciones que los equipos de pruebas regenerativas de AC y DC y los sistemas de pruebas están diseñados para soportar:

• Pruebas de batería
• Cargadores
• Vehículos eléctricos (EV)
• Vehículo a la red (V2G)
• Baterías de flujo
• Celdas de combustible
• Pruebas de microrred
• Supercapacitores

• Vea todos los productos de NI para pruebas de alta potencia