El objetivo del proyecto es desarrollar nuevas soluciones tecnológicas para la inserción al mercado peruano de Nanoredes Hibridas AC-DC, conformadas por paneles solares, baterías y luminarias LED-LiFi interconectadas a la red eléctrica. El sistema será instalado en zonas rurales y urbanas del país y será monitoreado de manera remota. En las zonas rurales, la experiencia obtenida en la India será adaptada y mejorada; mientras que en zonas urbanas una Nanored Hibrida AC-DC con luminaria LED-LiFi (que permite obtener tasas de velocidad de datos mucho más altas del WiFi) será desarrollada, debido a su alto potencial de ingreso al mercado peruano. El proyecto realizará dos productos electrónicos, que controlan Nanoredes Eléctricas AC-DC, mediante la aplicación de 3 nuevas técnicas de desacoplamiento de potencia. El objetivo es aumentar la durabilidad y eficiencia de los convertidores electrónicos elevando la durabilidad promedio de 2 a 10 años, así como de la Luminaria LED, eliminando las perturbaciones que afectan el funcionamiento del sistema y reemplazando los elementos que disminuyen la durabilidad de los mismos. Dos Nanoredes Eléctricas Hibridas DC-AC de 500W serán instaladas en zonas rurales del país. La primera en una zona Altoandina sin acceso a electricidad y la segunda en una zona donde la calidad de energía sea de mala calidad (pocas horas de acceso o red débil). En zonas urbanas, una Nanored Eléctrica Hibrida DC-AC con Luminaria LiFi y energía solar será instalada en el campus UNI. Esta planta piloto será la primera en la región. Tres equipos electrónicos originales serán desarrollados para redes monofásicas y para redes trifásicas utilizando las tres técnicas propuestas. Los equipos tendrán una alta durabilidad-performance, así como costo-efectivo. Serán desarrollados en la UNI en cooperación con los Laboratorios Laplace y LAAS de Toulouse, Francia; con la potencialidad de ser comercializados por la Empresa Termoinox S.A.C de Arequipa.

Las micro y nanoredes eléctricas permiten la inserción de paneles solares, batería y luminaria LED a la red eléctrica disminuyendo el consumo de energía y la emisión de gases de efecto invernadero. Estos sistemas eléctricos son controlados por convertidores electrónicos. Sin embargo, en la actualidad, estos convertidores presentan característica muy limitadas en eficiencia y durabilidad (en promedio 2 años), en comparación con los paneles solares (25 años) y luminaria LED (10 años). Esto se debe a que los convertidores electrónicos utilizan condensadores electrolíticos para el desacoplamiento de potencia (filtrado de armónicos de baja frecuencia presentes en la corriente en el lado DC), los cuales tienen una taza de durabilidad muy baja (en promedio de 2 años). De esta forma, aun cuando se utilizan condensadores electrolíticos, los armónicos en corriente, a baja frecuencia (el doble de la frecuencia de la red), no pueden ser filtrados en su totalidad, debido a que para ello se requieren valores de capacitancia e inductancia muy grandes, que no son comerciales. Ante ello, un alto rizado en la corriente, a baja frecuencia, siempre está presente en el lado DC y esto genera las siguientes problemáticas:

1. Disminución de la eficiencia de la potencia entregada de los paneles solares
2. Pérdidas en las baterías, lo cual afecta la eficiencia y la durabilidad de las mismas. Este es debido al sobrecalentamiento en la batería generado por el armónico a baja frecuencia presente en la corriente.
3. Flicker en la luminaria LED, lo cual afecta la eficacia y la durabilidad de las mismas. Esto es particularmente crítico en LED-LiFi debido que puede afectar el funcionamiento de la comunicación de alta velocidad
4. Aumento de volumen y peso de los convertidores, debido al uso de condensadores de filtrado tipo electrolíticos que tienen una taza muy baja de vida útil

Esta problemática es crítica porque limita la inserción en mayor nivel de estos sistemas al mercado, fundamentalmente porque el costo-beneficio de instalar estos sistemas se ve afectado por la parte central del sistema: el convertidor electrónico, el cual tiene una taza de vida útil muy baja en comparación a la del panel solar y la luminaria LED. Esto implica que cada dos años debe preverse el cambio o mantenimiento de los convertidores electrónicos del sistema, lo que eleva su costo. Además, el armónico en baja frecuencia afecta la durabilidad y eficiencia de todo el sistema. Por otro lado, conforme más fuentes energéticas integren a la microred o nanored, el sistema se vuelve mucho más complejo a controlar debido a la distribución de armónico a baja frecuencia en todo el sistema. Esto no es competitivo para el mercado peruano, por tanto, surge una imperiosa necesidad del desarrollo de nuevas tecnologías de convertidores electrónicos que superen las limitaciones de los convertidores actuales.

Ante ello, este proyecto plantea desarrollar nuevas técnicas de desacoplamiento de potencia que eliminen o atenúen considerablemente el armónico de baja frecuencia presente en el lado DC. Estas técnicas serán validadas en dos convertidores AC-DC monofásicos (de 1 y 2 etapas de conversión respectivamente) y un convertidor AC-DC trifásico. El objetivo es obtener los siguientes resultados:

1. Filtrar los armónicos de baja frecuencia, de manera activa, utilizando modulaciones diferentes o agregando filtros activos.
2. Control de un sistema de generación distribuida conformado por red eléctrica, PV, baterías y luminaria LED, con muy alta eficiencia de conversión (>=96%)
3. Aumentar la durabilidad de los convertidores reemplazando el condensador electrolítico por condensadores fílmicos que tienen mayor taza de durabilidad. Alcanzar una durabilidad de 10 años.

Con ello, el precio será compensado con la durabilidad y performances de todo el sistema y la inserción de estos productos será mayor en el mercado mundial y peruano.

A nivel mundial existe una tendencia en la disminución de gases de efecto invernadero, por ello el desarrollo de tecnologías energéticas eco-amigables que integren luminaria LED, fuentes de energías renovables (como paneles solares) y baterías a la red eléctrica es un área prioritaria

de investigación y desarrollo. Lamentablemente, en el Perú, el desarrollo de estas tecnologías es bastante limitado y las pocas empresas en este rubro se dedican a la importación y posterior venta de productos. Esto no fomenta el desarrollo sostenible del país. Además, muchas veces estas soluciones no son adaptables a nuestra realidad. La problemática a la que está enfocado este estudio se da en las zonas rurales que no cuentan con energía eléctrica o cuyo sistema de electrificación rural no cuente con una buena calidad de energía. Por ello, la contribución tecnológica de este trabajo radica en desarrollar nuevas soluciones electrónicas para el control de energías renovables y Luminaria LED, con performances superiores a las tecnologías existentes en el mercado y que, además, sean adaptadas a nuestra realidad, tanto para zonas rurales como para zonas urbanas.

Por un lado, ara las zonas rurales del país, la contribución tecnológica es desarrollar Nanoredes DC (en lugar de tensión AC) instalables en zonas del país que no cuentan con energía eléctrica o que cuentan con un sistema de electrificación de muy baja calidad de energía. Esta experiencia ya ha sido desarrollada en la India, donde se llegó a la conclusión de que las Nanoredes DC (apoyadas sobre luminaria LED) son una alternativa altamente competitiva para zonas rurales. La contribución es ofrecer un sistema alternativo de bajo costo. Por otro lado, para las zonas urbanas, la contribución tecnológica es desarrollar la primera planta piloto en la región de una Nanored Hibrida DC-AC con luminaria LED-LiFi (que permite obtener tasas de velocidad de datos mucho más altas de WiFi). Esta nanored eléctrica no solo solo tendrá una muy alta eficiencia energética y energéticamente eco-amigable, sino que además permitirá realizar videoconferencias (gracias a luminaria LiFi) a muy altas tasas de velocidad. El aporte de soluciones a problemas científicos radica en proponer técnicas que mejoren las performances de las Nanoredes hibridas AC-DC. En efecto, la limitación actual de estos sistemas son la eficiencia y la durabilidad, las cuales son afectadas principalmente por las ondulaciones de baja frecuencia en el lado DC que producen:

1. Disminución de la eficiencia de la potencia entregada de los paneles solares
2. Pérdidas en las baterías, lo cual afecta la eficiencia y la durabilidad de las mismas
3. Flicker en la luminaria LED, lo cual afecta la eficacia y la durabilidad de las mismas. Esto es particularmente crítico en LED-LiFi debido que puede afectar el funcionamiento de la comunicación de alta velocidad.
4. Aumento de volumen y peso de los convertidores, debido al uso de condensadores de filtrado tipo electrolíticos que tienen una taza muy baja de vida útil

El proyecto plantea 3 nuevas técnicas de desacoplamiento de potencia (2 para redes monofásicas y 1 para redes trifásicas) que permiten filtrar las ondulaciones de baja frecuencia y además reemplazar el condensador electrolítico por fílmicos, de tal forma que alcancen las tazas de durabilidad de los paneles solares (los cuales ofrecen una durabilidad de 25 años) y de la luminaria LED (que ofrece una durabilidad de 10 años). Dos Nanoredes Eléctricas Hibridas DC-AC de 500W serán instaladas en zonas rurales del país y una tercera en el campus UNI, en cooperación con los Laboratorios Laplace y LAAS de Toulouse, Francia; con la potencialidad de ser comercializados por la Empresa Termoinox S.A.C de Arequipa. Finalmente, el proyecto desarrollará toda la tecnología íntegramente en el Perú, lo que permitirá formación profesional de muy alto nivel con la realización de 3 tesis de doctorado, 2 tesis de pregrado, 4 publicaciones en Journal y 1 patente.

Modalidad de proyecto: Proyecto de investigación avanzado

Los proyectos deben ser presentados de manera asociativa (con una o más entidades asociadas).

La conformación mínima es la siguiente:

• Un investigador principal
• Un coinvestigador
• Un tesista de posgrado
• Un gestor tecnológico
• Un coordinador administrativo

Tipo de proyecto: Investigación aplicada

Subsector: Energía

Sector: General

Lugar de ejecución del proyecto: Lima

Fecha de inicio:  03/12/2018

Fecha de cierre:  03/12/2021

Plazo de ejecución (meses): 36

Objetivo principal

El objetivo principal del proyecto es la realización de tres nuevos productos electrónicos utilizando nuevas técnicas de desacoplamiento de potencia, con lo cual se obtendrán mayores performances con respecto a las tecnologías existentes. Estos equipos electrónicos están orientados a resolver las imitaciones de los sistemas eléctricos eficientemente energéticos, conformados por paneles solares, baterías, red eléctrica (monofásica y trifásica) y luminaria LED (con o sin capacidad de transmisión de datos LiFi). Dichos sistemas tienen un gran potencial de uso en zonas rurales, tal como ha sido demostrado en la India, pero también en zonas urbanas, donde la potencialidad radica en los sistemas LiFi. Sin embargo, en dichos sistemas eléctricos la durabilidad y funcionamiento de la luminaria LED, así como la estructura electrónica, son afectados por las ondulaciones en baja frecuencia. En el primer caso, los flickers afectan la durabilidad del LED así como el confort lumínico. En el caso de la estructura electrónica, la durabilidad es afectada por la utilización de capacitores electrolíticos, los cuales además aumentan el precio y volumen del sistema.

Por ello, soluciones para redes monofásicas y trifásicas serán desarrolladas íntegramente en Perú, y deberán asegurar una eficiencia >= al 92 % (teniendo como meta ideal llegar al 96 %) y, además, deberán atenuar la ondulación de baja frecuencia en un porcentaje del 10 % con respecto a las tecnologías existentes. Las estructuras desarrolladas por el investigador principal del proyecto serán utilizadas; así como las pruebas con la Luminaria LED-LiFi serán realizadas en el Laboratorio Laplace, Toulouse-Francia, siguiendo la metodología propuesta y con el beneficio de afianzar los lazos de cooperación a nivel de investigación. Finalmente, dos prototipos serán instalados en las zonas rurales de Arequipa (sin LiFi) así como en el campus de la UNI (con LiFi) para mostrar su potencialidad en el mercado peruano.

Objetivo específico 1

Concepción y validación de los convertidores DC-DC 500W – 1kW, que serán base para las Nanoredes Eléctricas DC aisladas y conectadas a la red

Objetivo específico 2

Concepción y validación de los convertidores AC-DC monofásicos 500W – 1kW, que serán la base de las Nanoredes DC interconectadas a la red eléctrica monofásica

Objetivo específico 3

Concepción y validación de los convertidores AC-DC trifásicos 1.5kW – 3kW, que serán la base de las Nanoredes DC interconectadas a la red eléctrica trifásica

Objetivo específico 4

Empaquetamiento e instalación de las Nanoredes Eléctricas. Difusión de resultados

Institución responsable del proyecto

Universidad Nacional de Ingeniería

RUC: 20169004359

Tipo de entidad: Universidades que se encuentren licenciadas o en proceso de licenciamiento por la SUNEDU

Régimen: Público

Tipo de organización: Sin fines de lucro

Departamento: Lima

Provincia: Lima

Distrito: Rímac

Dependencias: Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Centro de Energías Renovables (CER-UNI)

Institución asociada

Termoinox S.A.C

RUC: 20454518102

Tipo de entidad: Universidades que se encuentren licenciadas o en proceso de licenciamiento por la SUNEDU

Régimen: Privado

País: Perú

Departamento: Arequipa

Provincia: Arequipa

Distrito: Arequipa

Institución asociada

Laboratorio Laplace – Grupo de Luz y Materia

Tipo de entidad: Universidades extranjeras

Régimen: Público

País: Francia

Institución asociada

LAAS-CNRS

Tipo de entidad: Universidades extranjeras

Régimen: Público

País: Francia

Investigador principal

Nombres: Damián Eleazar

Apellido paterno: Sal y Rosas

Apellido materno: Celi

Grado académico: Magister

Nombre del grado académico: Título Profesional de Ingeniero Electrónico

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Dependencia: Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Coinvestigador

Nombres: Teresa Esther

Apellido paterno: Núñez

Apellido materno: Zúñiga

Grado académico: Doctorado

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Dependencia: Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Coinvestigador

Nombres: Consuelo Carmen

Apellido paterno: Negron

Apellido materno: Martínez

Grado académico: Doctorado

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Dependencia: Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Coinvestigador

Nombres: Judith Luz

Apellido paterno: Betetta

Apellido materno: Gómez

Grado académico: Magister

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Dependencia: Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Coinvestigador

Nombres: Rafael Leonardo

Apellido paterno: Espinoza

Apellido materno: Paredes

Grado académico: Magister

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Dependencia: Centro de Energías Renovables (CER-UNI)

Coinvestigadores

Nombres: Pedro Bertín

Apellido paterno: Flores

Apellido materno: Larico

Grado académico: Magister

Entidad: Termoinox S.A.C

Dependencia: Termoinox S.A.C – Departamento de Ingeniería

Coinvestigador

Nombres: Georges

Apellido paterno: Zissis

Grado académico: Doctor

Entidad: Laboratorio Laplace – Grupo de Luz y Materia

Dependencia: Grupo de Luz y Materia

Coinvestigador

Nombres: Corinne

Apellido paterno: Alonso

Grado académico: Doctor

Entidad: LAAS-CNRS

Dependencia: Intégration de Systèmes de Gestion de L’Energie – ISGE

Tesista

Nombres: Tesista no identificado 6

Apellido paterno: –

Apellido materno: –

Tipo de tesis: Doctorado

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Tesista

Nombres: Tesista no identificado 6

Apellido paterno: –

Apellido materno: –

Tipo de tesis: Doctorado

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Tesista

Nombres: Tesista no identificado 6

Apellido paterno: –

Apellido materno: –

Tipo de tesis: Licenciatura

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Tesista

Nombres: Tesista no identificado 6

Apellido paterno: –

Apellido materno: –

Tipo de tesis: Licenciatura

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Tesista

Nombres: Tesista no identificado 6

Apellido paterno: –

Apellido materno: –

Tipo de tesis: Doctorado

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Gestor tecnológico

Nombres: Jhean Franco

Apellido paterno: Mendivil

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Coordinador administrativo

Nombres: Yudith Flor

Apellido paterno: Alejandro

Apellido materno: Domínguez

Entidad: Universidad Nacional de Ingeniería

Rubros financiables

1. Recursos humanos (hasta 50% del monto financiado)

1. Incentivo monetario para el investigador principal y coinvestigadores: no debe sobrepasar el máximo de S/ 2,000 mensuales por investigador.
2. Pago a los tesistas: no debe sobrepasar el máximo de S/ 1,500 mensuales por tesista.
3. Pago al personal técnico o asistente de investigación: no debe sobrepasar el máximo de S/ 1,000 mensuales por técnico.
4. Honorarios o incentivos para un gestor tecnológico: no debe de sobrepasar el máximo de S/. 1,500 mensuales.

2. Equipos y bienes duraderos (hasta 20% del monto financiado)

Corresponde a la adquisición de equipos menores para el proyecto de investigación.

3. Materiales e insumos

1. Materiales, insumos, reactivos, accesorios, componentes electrónicos o mecánicos, bienes no inventariables.
2. Material bibliográfico, tales como manuales, bases de datos, libros especializados, otros, y/o suscripciones a redes de información (en físico o electrónico).
3. Software especializado para el desarrollo de los proyectos de investigación.

4. Viajes

Corresponde a los gastos de viajes relacionados a actividades propias del proyecto de investigación.

Los gastos que aplican para este rubro son los siguientes:

1. Pasajes: terrestres, aéreos, nacionales e internacionales, en clase económica.
2. Viáticos: comprenden los gastos por concepto de alimentación, hospedaje y movilidad (hacia y desde el lugar de embarque), así como el desplazamiento en el lugar donde se realizan las actividades. El concepto de viáticos es aplicable para estancias cuya duración sea menor a los quince (15) días calendario, considerando los topes máximos diarios detallados en el Anexo 2.
3. Manutención: comprenden los gastos de alojamiento, alimentación y movilidad local durante su permanencia en el lugar sede del objeto del beneficio otorgado, o desplazamientos relacionados con el mismo. El concepto de manutención es aplicable siempre que se trate de una estancia cuya duración sea mayor o igual a quince (15) días calendario, considerando los topes máximos diarios detallados en la convocatoria.
4. Seguro de viaje: el seguro es de carácter obligatorio y su valor debe estar de acuerdo al precio de mercado. La cobertura típicamente incluye gastos médicos de emergencia, muerte accidental, invalidez e imprevistos logísticos durante el viaje (retraso de vuelos, demora o pérdida de equipaje, robos, etc.). El precio del seguro puede variar en función a la edad, duración del viaje y el destino. Se puede financiar hasta un máximo de S/ 2,000.

5. Servicios de no consultoría.

Corresponde a los gastos de contratación de personas naturales o jurídicas para la ejecución de actividades de índole técnica especializada, consideradas como críticas para lograr el buen resultado del proyecto de investigación: servicios de laboratorio, colección de datos, procesamiento de muestras, análisis y diseño.

6. Otros servicios

Corresponde a los gastos de contratación de personas naturales o jurídicas para la ejecución de actividades complementarias del proyecto de investigación, tales como:

a. Actividades de difusión:

1. Gastos de organización de taller de cierre del proyecto.
2. Costo de publicación de artículos en revistas indizadas.
3. Costo de inscripción para participar en eventos o para discutir los resultados con personal interesado o calificado.

b. Actividades complementarias de la investigación:

1. Gastos de importación y desaduanaje de materiales, insumos o equipos relacionados al proyecto de investigación que se adquieran en el extranjero.
2. Gastos relacionados a la obtención del título o grado.
3. Gastos relacionados a la solicitud de patentes.
4. Gastos de mantenimiento correctivo para los equipos adquiridos u otro equipo de laboratorio que deba usarse en el proyecto.

7. Gastos de gestión (hasta 10% del monto financiado)

Corresponde al incentivo monetario para el coordinador administrativo, útiles de oficina y servicios de imprenta.