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Pascual Miqueleiz, Julio María

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Julio María

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Ingeniería Eléctrica y Electrónica

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An energy management system design using fuzzy logic control: smoothing the grid power profile of a residential electro-thermal microgrid
(IEEE, 2021) Arcos Avilés, Diego; Pascual Miqueleiz, Julio María; Guinjoan Gispert, Francesc; Marroyo Palomo, Luis; García Gutiérrez, Gabriel; Gordillo, Rodolfo; Llanos, Jacqueline; Sanchis Gúrpide, Pablo; Motoasca, Emilia; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
This work deals with the design of a Fuzzy Logic Control (FLC) based Energy Management System (EMS) for smoothing the grid power prole of a grid-connected electro-thermal microgrid. The case study aims to design an Energy Management System (EMS) to reduce the impact on the grid power when renewable energy sources are incorporated to pre-existing grid-connected household appliances. The scenario considers a residential microgrid comprising photovoltaic and wind generators, at-plate collectors, electric and thermal loads and electrical and thermal energy storage systems and assumes that neither renewable generation nor the electrical and thermal load demands are controllable. The EMS is built through two low-complexity FLC blocks of only 25 rules each. The first one is in charge of smoothing the power prfile exchanged with the grid, whereas the second FLC block drives the power of the Electrical Water Heater (EWH). The EMS uses the forecast of the electrical and thermal power balance between generation and consumption to predict the microgrid behavior, for each 15-minute interval, over the next 12 hours. Simulations results, using real one-year measured data show that the proposed EMS design achieves 11.4% reduction of the maximum power absorbed from the grid and an outstanding reduction of the grid power profile ramp-rates when compared with other state-of-the-art studies.
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Influence of the aging model of lithium-ion batteries on the management of PV self-consumption systems
(IEEE, 2018) Berrueta Irigoyen, Alberto; Pascual Miqueleiz, Julio María; San Martín Biurrun, Idoia; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua, PI038 INTEGRA-RENOVABLES
Lithium-ion batteries are gaining importance for a variety of applications due to their improving characteristics and decreasing price. An accurate knowledge of their aging is required for a successful use of these ESSs. The vast number of models that has been proposed to predict these phenomena raise doubts about the suitability of a model for a particular battery application. The performance of three models published for a Sanyo 18650 cylindrical cell in a self-consumption system are compared in this work. Measured photovoltaic production and home consumption with a sampling frequency of 15 minutes are used for this comparison. The different aging predictions calculated by these three models are analyzed, compared and discussed. These comparison is particularized for two management strategies. The first of them maximizes the self-consumption PV energy, while the second reduces the maximum power peak demanded from the grid.
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Analysis of polyamide and fluoropolymer backsheets: Degradation and insulation failure in field-aged photovoltaic modules
(John Wiley & Sons, 2022) Pascual Miqueleiz, Julio María; García Solano, Miguel; Marcos Álvarez, Javier; Marroyo Palomo, Luis; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Durability of photovoltaic (PV) modules is of great concern not only from the point of view of cost-effectiveness but also from the point of view of safety and sustainability. The backsheet of a PV module is one of the most critical parts of the PV module from the point of view of protection and also one of the most important sources of PV modules' failure; hence, it is of great importance to understand its different forms of failure. In this paper we analyze the case of an 8-MW PV plant, which had suffered a rapid degradation of their PV modules' backsheets. The case is especially relevant as all the PV modules are from the same model and manufacturer but with different backsheet materials (polyamide and fluoropolymer) and different times of exposure: on one hand, all PV modules originally installed in the plant (i.e., 6 years under operation when tested), and also, extra modules that had been stored indoors for replacement and had been mounted in the plant for less than 1 year when tested, serving as reference modules. In this paper we present the signs of degradation of these PV modules after different times of exposure under real operation using different on-field and laboratory tests. We propose different techniques for rapid diagnosis of backsheet degradation so that the problem can be detected at a very early stage, before it results in major energy losses or in safety issues.
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On the on-site measurement of the degradation rate of crystalline silicon PV modules at plant level
(IEEE, 2018) Pascual Miqueleiz, Julio María; Berrueta Irigoyen, Alberto; Marcos Álvarez, Javier; García Solano, Miguel; Marroyo Palomo, Luis; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
This paper proposes a method for measuring the degradation rate of crystalline silicon PV modules at plant level in two different ways as a form of verification. As actual levels of degradation rate have been observed to be as low as 0.2%/a, the uncertainties make it difficult to measure this value accurately at plant level. However, despite the low value, it is still important to know the actual degradation rate due to its impact on energy yield. In this paper, two ways of measuring the degradation rate at plant level are proposed. These two methods, with different uncertainty sources, are proposed to be used jointly in order to have a better approach to the real value. Finally, an example of measurement in a 1.78 MW PV plant is presented.
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Estrategias avanzadas de gestión energética basadas en predicción para microrredes electrotérmicas
(2016) Pascual Miqueleiz, Julio María; Marroyo Palomo, Luis; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
El primer objetivo concreto de la tesis consiste en estudiar los perfiles de potencia de los diferentes elementos de la microrred y su interacción, ya sea directa, en el caso de flujos de potencia confluyentes, o indirecta, en el caso de la posible interacción de distintos sistemas (sistema eléctrico y térmico). Este análisis se realiza en el Capítulo 2. El segundo objetivo es el diseño de estrategias de gestión energética para la microrred y evaluación comparativa en base a criterios específicos de calidad. Este objetivo se desarrolla en los Capítulos 3 a 7. En los Capítulos 3 y 4, se desarrollan y analizan estrategias de gestión sin datos de predicción. Las estrategias del Capítulo 3 basan su gestión en el control de la batería en función del balance de potencias instantáneo, mientras que en el Capítulo 4 se desarrollan estrategias de similar estructura, pero basándose en el balance energético diario en la microrred. Consecuencia del análisis de estas primeras estrategias, se verá la necesidad de utilizar predicción de la potencia. Para ello, se analiza en el Capítulo 5 la predicción del consumo y de la generación estudiando por separado los datos medidos por los vatímetros y la estación meteorológica de la microrred, los datos de predicción meteorológica ofrecidos por el servidor utilizado y los modelos físicos que ayudan a transformar los datos de variables ambientales en datos de potencia generada. Posteriormente, en el Capítulo 6 se analizan las ventajas de la utilización de los datos de predicción y cómo utilizarlos, poniéndose en práctica su uso. La estructura del control propuesto es similar a la vista en el Capítulo 4, pero, debido a la naturaleza de los datos de predicción, se desarrolla un nuevo control de la batería basado en el error de la predicción. Este control mejora notablemente los resultados en comparación con los obtenidos en las estrategias previas. No obstante, del análisis de esta estrategia, queda patente la influencia que tiene el sistema térmico sobre el eléctrico, que puede ser negativa si se deja que evolucione de forma independiente. Por el contrario, el sistema térmico puede ser muy beneficioso si la estrategia toma el control del mismo. Así, en el Capítulo 7, se hace uso de una caldera eléctrica gestionable, que hace de nexo entre el sistema eléctrico y el térmico, y un depósito de agua caliente que sirve de almacén de energía térmica. De esta forma, se fusiona la gestión de ambos sistemas creando un único sistema energético, denominado microrred electrotérmica. El tercer objetivo de la tesis es la validación experimental de los resultados obtenidos. Así, realizados los análisis de las distintas estrategias mediante simulación, se prueba su funcionamiento en la microrred instalada en el Laboratorio de Energías Renovables de la UPNA. Su implementación y los resultados obtenidos se detallan en el Capítulo 8. Finalmente, en el Capítulo 9 se repasan las principales conclusiones y se presentan las líneas futuras.
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Fuzzy-based energy management of a residential electro-thermal microgrid based on power forecasting
(IEEE, 2018) Arcos Avilés, Diego; Gordillo, Rodolfo; Guinjoan Gispert, Francesc; Sanchis Gúrpide, Pablo; Pascual Miqueleiz, Julio María; Marietta, Martin P.; Marroyo Palomo, Luis; Ibarra, Alexander; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
In this paper, an energy management strategy based on microgrid power forecasting is applied to a residential grid-connected electro-thermal microgrid with the aim of smoothing the power profile exchanged with the grid. The microgrid architecture under study considers electrical and thermal renewable generation, energy storage system (ESS), and loads. The proposed strategy manages the energy stored in the ESS to cover part of the energy required by the thermal generation system for supplying domestic hot water to the residence. The simulation results using real data and the comparison with previous strategy have demonstrated the effectiveness of the proposed strategy.
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On the requirements of the power converter for second-life lithium-ion batteries
(IEEE, 2019) Berrueta Irigoyen, Alberto; San Martín Biurrun, Idoia; Pascual Miqueleiz, Julio María; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
The use of lithium-ion batteries is increasing year after year, especially in the automotive sector. Given the high requirements of electric vehicles, their energy storage systems are discarded when they still have around 70% of its initial capacity. These discarded batteries are being studied as a low-price option for stationary systems, mostly related to renewable energy generation, with lower battery requirements. However, the increasing dispersion of cell capacity detailed in this contribution limits the use of second-life cells if regular battery management systems and power converters. We present in this contribution an experimental comparison of the capacity dispersion between fresh and second-life cells, and detail the relationship between the capacity dispersion and the required BMS functionality. Furthermore, we include the ageing phenomena in the analysis by means of experimental ageing results, given that the capacity dispersion is enlarged as the battery ages. After this, we use this data to quantify advantages and disadvantages of a combined BMS and power converter, based on a multilevel topology, compared to a conventional BMS. The most relevant result, when a 55-cell battery is analysed, is a 65% increase in capacity during its whole second life if the BMS and power converter are combined by means of a multilevel topology. The increased level of complexity required by the combined BMS-power converter architecture is analysed in this contribution, providing a convenient tool for the selection of the most suitable option for each application.
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In-field energy performance of solar PV module made of UMG silicon
(IEEE, 2022) Guerra, Moisés R.; Parra Laita, Íñigo de la; García Solano, Miguel; Pascual Miqueleiz, Julio María; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
Upgraded metallurgical grade silicon (UMG-Si) PV modules have failed to make their space in the PV market, which was partly to the uncertainty on their in-field performance that brings the wide disparity of results published over the years. The most-recently developed UMG-Si PV modules have demonstrated similar initial degradation and efficiencies under standard test conditions (STC) to those obtained with conventional solar grade silicon (SoG-Si). Nevertheless, their performance under operating conditions other than STC and its impact on the energy production are key aspects that have not yet been properly characterized in the literature. This article analyzes the in-field performance of a PV generator comprised of recently developed UMG-Si modules. This performance was compared to that of another PV generator comprising standard polysilicon modules. The cells and modules of both types of generators were made by the same manufacturer in the same period and on the same production lines, which guarantees that performance differences encountered are exclusively due to the silicon employed. Contrary to the previous experience, this article reveals that UMG-Si modules do not necessarily present a better temperature performance than today's conventional modules. The analyzed UMG-Si modules presented 1.6% less efficiency under low irradiance conditions, but this different irradiance performance led to an insignificant difference (less than 0.5%) in their energy production. No significant degradation was measured in both UMG-Si and SoG-Si modules during the two-year analyzed period, being the final energy performance of both types of modules essentially the same. These results can be considered as highly representative of the current state-of-the-art of UMG-Si technology.
Open Access
Implementation and control of a residential electrothermal microgrid based on renewable energies, a hybrid storage system and demand side management
(MDPI, 2014) Pascual Miqueleiz, Julio María; Sanchis Gúrpide, Pablo; Marroyo Palomo, Luis; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
This paper proposes an energy management strategy for a residential electrothermal microgrid, based on renewable energy sources. While grid connected, it makes use of a hybrid electrothermal storage system, formed by a battery and a hot water tank along with an electrical water heater as a controllable load, which make possible the energy management within the microgrid. The microgrid emulates the operation of a single family home with domestic hot water (DHW) consumption, a heating, ventilation and air conditioning (HVAC) system as well as the typical electric loads. An energy management strategy has been designed which optimizes the power exchanged with the grid profile in terms of peaks and fluctuations, in applications with high penetration levels of renewables. The proposed energy management strategy has been evaluated and validated experimentally in a full scale residential microgrid built in our Renewable Energy Laboratory, by means of continuous operation under real conditions. The results show that the combination of electric and thermal storage systems with controllable loads is a promising technology that could maximize the penetration level of renewable energies in the electric system.
Open Access
Energía sostenible: sin malos humos
(Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa, 2019) Samanes Pascual, Javier; Pascual Miqueleiz, Julio María; Berrueta Irigoyen, Alberto; Araiz Vega, Miguel; Catalán Ros, Leyre; Aranguren Garacochea, Patricia; Arricibita de Andrés, David; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Ingeniaritza
¿Puede España ser sostenible energéticamente? Si alguna vez te has planteado esta pregunta, o quieres saber en qué gastamos la energía y de dónde podría ser obtenida, aquí encontrarás respuestas. Nuestros recursos renovables son inmensos, pero también lo es nuestro consumo. Este libro no solo se centra en analizar la situación actual y las posibilidades que las energías renovables tienen en nuestro país, sino que, presentando de forma clara los datos sobre nuestro gasto energético, permite a cada lector identificar sus mayores consumos, de tal forma que pueda considerar cómo reducirlos. Energía sostenible. Sin malos humos es la adaptación al caso español, actualizando los datos, del libro publicado hace una década por David MacKay en el Reino Unido. La sostenibilidad es hoy en día una preocupación creciente en la sociedad. Pero a menudo este interés se ve contaminado por cifras enormes que resultan muy complicadas de comprender. Además, todos hemos oído hablar en algún momento sobre pequeños gestos al alcance de nuestra mano que podrían permitir un cambio hacia un modelo sostenible. Nada más lejos de la realidad, pequeñas acciones solo permiten pequeños cambios, y el cambio de modelo energético al que nos enfrentamos requiere grandes acciones. Para deshacernos de todo este ruido, en este libro se presentan los números de forma clara y sencilla, utilizando unidades a nuestro alcance y que son comprensibles por todas las personas. Esto permite identificar de una forma mucho más personal los consumos energéticos de nuestro día a día. A lo largo de la primera parte del libro se van construyendo dos columnas: una de color rojo, que representa la agregación de consumos, y otra de color verde, que representa la capacidad de generación. Estas columnas ofrecen una comparación muy visual de la infraestructura renovable que sería necesaria para mantener nuestro ritmo de consumo energético actual. Además, utiliza números «gordos» obtenidos de la experiencia del día a día. Por ejemplo, para calcular la capacidad de generación eólica se parte de una velocidad de viento estimada a partir de la velocidad típica de un ciclista urbano. Toda esta información se encuentra en la primera parte del libro, en los capítulos del 1 al 18. Sin embargo, este libro no se centra únicamente en el análisis de la situación actual, sino que da un paso más y propone alternativas al modelo energético actual con el fin de alcanzar un modelo 100% renovable a medio plazo. Estas medidas incluyen un aumento importante en la potencia renovable instalada, un aumento en la eficiencia energética y algunos ligeros cambios en nuestro estilo de vida que permitan una reducción del consumo. Por supuesto, los tres frentes deben ser atacados al mismo tiempo. Estas propuestas se recogen en la segunda parte del libro, en los capítulos 19 a 32. Por último, este es un libro divulgativo al alcance de todas las personas, que busca transmitir toda la información de forma clara e intuitiva sin perderse en complicados cálculos. Pero si eres de los que les gustan las cuentas, al final del libro encontrarás un apartado en el que se explica de forma rigurosa muchos de los cálculos simples realizados en las primeras partes del libro. Estos apéndices técnicos forman la tercera parte del libro, son los apéndices de la A hasta la H.