Capitulo 2.6: Sistemas Eólicos - Sistemas de Generacion Distribuida

8082139Sistemas de Generación Distribuida

Energía Eólica

Prof. Francisco M. [email protected]

Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected] © 2008

Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida

http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html


Energía EólicaEnergía EólicaIntroducciónIntroducción



Energía Eólica• El Sol irradia 174.423.000.000.000 kWh de energía

por horapor hora

• La tierra recibe 1,74 x 1017 Watt de potencia.



Energía Eólica• Alrededor de un 1% a un 2% de la energía

proveniente del sol es convertida en energía eólica.proveniente del sol es convertida en energía eólica.• Esto supone una energía alrededor de 50 a 100 veces

superior a la convertida en biomasa por todas lasp pplantas de la tierra

http://www.windpower.org/



Energía Eólica • La energía eólica son mejores en las costas y colinas,

sin embargo, estos se pueden encontrar ensin embargo, estos se pueden encontrar enprácticamente cualquier zona.

• La energía eólica es menos predecible que la solar• La energía eólica es menos predecible que la solar,pero mas predecible que las lluvias (energíahidroeléctrica) y suele estar disponible mayor tiempo) y p y pdurante un día.



Fuerzas de Coriolis• En 1835, Coriolis publicó su teoría del

comportamiento de los cuerpos en movimiento sobrecomportamiento de los cuerpos en movimiento sobreuna superficie rotante.

• En la Tierra, la fuerza de Coriolis es perpendicular a, f p pla velocidad relativa de los objetos y se orienta haciala derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierdaen el hemisferio sur.



Fuerzas de Coriolis• Su magnitud es proporcional al producto de la masa

del objeto, su velocidad, la velocidad angular de ladel objeto, su velocidad, la velocidad angular de laTierra y el seno de la latitud.



Energía del Viento• La distribución de Weibull global genera una curva

de distribución probabilística de velocidadesde distribución probabilística de velocidades



Rosa de los Vientos• A través de las velocidades de cada dirección del

viento, permite generar una “Rosa de los vientos”viento, permite generar una Rosa de los vientospara la localidad.



Energía EólicaEnergía Cinética

(Viento)Energía Eléctrica



Principios Energéticos del VientoLa energía cinética, Ec, en una pieza de masa de aire m, fluyendo a una velocidad vw [m/seg] es dada por

( ) 22

21

21

wwc vAxmvE ρ==

donde A es la sección transversal (m2), ρ es la densidad del aire(kg/m3), y x es el espesor de la pieza (m). La potencia del vientoP (W) es la derivada en el tiempo de la energía cinéticaPw (W) es la derivada en el tiempo de la energía cinética.

( ) ( ) 32

21

21 uA

dtdxuA

dtdUPv ρρ ===

22 dtdt

m vw



Energía del Viento

ρ( ) 3

21 uAPv ρ=

ρA u3

Densidad = P/(RxT)P - Presión (Pa)

Velocidad Instantanea(no velocidad Media)P Presión (Pa)

R – Constante especifica de los gases (287 J/kgK)

T – Teperatura del aire (K)

Area = π r2 (no velocidad Media)

kg/m3

m2 m/s

kg/m



Energía del VientoLaLa cantidadcantidad dede energíaenergía transferidatransferida alal rotorrotor porpor elel vientoviento dependedepende dede::

32

2mvE



( )32

222 avvtA

tv

ttEN cinetica

viento ====ρρ

Energía del Viento• La evaluación de velocidades de viento se suele

realizar durante el periodo de un año a varias alturasrealizar durante el periodo de un año a varias alturas(típicamente entre 10 a 50m) y los datos permitenevaluar el potencial de la energía eólica en unadeterminada localidad con prospectiva para unproyecto.

• También se suelen registrar datos de temperaturalocal, humedad relativa y presiones barometricas.



Energía del VientoClases de Viento y Densidades de Potencia a dos alturas

de medición (10m y 50m)de medición (10m y 50m)

Clase Velocidad Densidad de Velocidad Densidad de

10 m10 m 50 m50 m

de viento

(m/seg) Potencia (Watt/m2)

(m/seg) Potencia (Watt/m2)

1 < 4.4 < 100 < 5.6 < 200

2 4.4 a 5.1 100 a 150 5.6 a 6.4 200 a 300

3 5.1 a 5.6 150 a 200 6.4 a 7.0 300 a 400

4 5.6 a 6 200 a 250 7.0 a 7.5 400 a 500

5 6 a 6.4 250 a 300 7.5 a 8.0 500 a 600

6 6.4 a 7 300 a 400 8.0 a 8.8 600 a 800

7 > 7.0 > 400 > 8.8 > 800



Ley Betz

La ley de Betz dice que sólo puede convertirse menos de16/27 (el 59 %) de la energía cinética en energía16/27 (el 59 %) de la energía cinética en energíamecánica usando un aerogenerador.

La ley de Betz fue formulada por primera vez por elLa ley de Betz fue formulada por primera vez por elfísico alemán Albert Betz en 1919. Su libro "Wind-Energie", publicado en 1926.Energie , publicado en 1926.



Ley de BetzLa ecuación de Betz proporciona el límite superior de las posibilidades de unaerogenerador, pero en sí es poco fina, pues no tiene en cuenta una serie defactores como:factores como:

• La resistencia aerodinámica de las palas• La pérdida de energía por la estela generada en la rotación• La compresibilidad del fluidoLa compresibilidad del fluido• La interferencia de las palas• El rendimiento práctico depende del tipo de rotor.




Energía EólicaEnergía EólicaTipos de AerogeneradoresTipos de Aerogeneradores



Clasificación de los AerogeneradoresAeroturbinas de eje horizontal y de eje vertical

• Sistemas giromill (eje vertical y palas verticales, con o sin distribuidor)• Sistemas especiales.

Eje HorizontalEje Horizontal

Eje HorizontalEje Horizontal Eje VerticalEje Vertical





Eje VerticalEje Vertical

Tipos de Aerogeneradores

Eje HorizontalHorizontal

EjeVertical



Aerogenerador Aerogenerador DarrieuxDarrieux Aerogenerador Aerogenerador SavoniusSavonius34m34m, 500 kW, 500 kW

Eje HorizontalSe suelen clasificar según su velocidad de giro o según el número de palas que lleva el rotor aspectos que están íntimamente

l i d á id l t l i ti ú drelacionados, en rápidas y lentas; las primeras tienen un número de palas no superior a 4 y las segundas pueden tener hasta 24.



Numero de palas, 1, 2, 3 o mas?• Las mas modernas turbinas de viento poseen tres

palas, aunque en la década de 1980 y comienzo de la dep , q y1990, algunos intentos fueron hechos para comercializardiseños de una y dos palas. Diseño de Tres palas

Diseño de Dos palas

Diseño de Una pala



Eje VerticalEl aerogenerador Savonius que puede arrancar con poco viento, siendo muy

ill f b i ió ti l id dsencilla su fabricación; tiene una velocidad de giro pequeña y su rendimiento es relativamente bajo



Eje VerticalEl aerogenerador Darrieux o de catenaria, requiere para uncorrecto funcionamiento, vientos de 4 a 5 metros por segundocomo mínimo, manteniendo grandes velocidades de giro y unbuen rendimiento; se construyen con 2 ó 3 hojas



. Aeroturbina Darrieux de 70 kW (Lab. Sandia, Albuquerque, New México)

34m34m, 500 kW, 500 kW

GiromillEl molino vertical de palas tipo giromill o ciclogiro que deriva delDarrieux; tiene entre 2 y 6 palas.

ASI/Pinson Cycloturbine



Prototipo giromill 500 kW. MacDonnell-Douglas

McDonnell Aircraft Vertical Axis Giromill

EspecialesBuscan para generar potencias superiores hasta los 100 MW

G d i ló i tá i i d lGeneradores ciclónicos, está inspirado en elprincipio que utiliza la naturaleza al generarenergía en tornados, ciclones y huracanes; elviento sopla tangencialmente sobre una torrecilíndrica y penetra en su interior a través dedeflectores produciendo un tornado en sudeflectores, produciendo un tornado en suinterior



Turbina tipo tornado

EspecialesEl generador Andreu-Enfield, tiene sus palashuecas, las cuales giran por la acción del vientoexterior que incide sobre ellas como unaexterior que incide sobre ellas como unamáquina eólica normal, lo que provoca laexpulsión del aire en ellas contenido, que saled did b t l t d ldespedido bruscamente por los extremos de lasmismas, por efecto de la fuerza centrífugaoriginada en el giro, generando una depresión o

í i l i i i lvacío parcial en su interior, que permite laaspiración de aire por la parte inferior de laestructura, el cual hace girar una turbina eólicade eje vertical conectada a un alternador situadoen su parte inferior.



Generador de Andreu-Enfield

Especiales• Este aerogenerador fue construido

en 1950 por la sociedad británicaEnfield para la British ElectricityAuthority.

– Potencia nominal de 100 kW para velocidades del vientodid t 13 5 29 /comprendidas entre 13,5 y 29 m/seg.

– Velocidad del viento nominal: 13,5 m/seg– Hélice bipala de paso variable colocada en la parte posterior de

la torre.– Gasto másico de aspiración: 1.655 m3/min.– Alternador de 100 kW, 415 VI.– Altura de la torre 30 m.– Orientación por servomotor accionado por una veleta



Aerogenerador Andreu-Enfield

Especiales

Concentrador de Viento tipo ala delta

LosLos concentradoresconcentradores dede viento,viento, queque tienentienen formaforma dede alaala enen deltadeltagenerangeneran vórticesvórtices aa ambosambos ladoslados dede lala misma,misma, lolo queque permitepermiteconcentrarconcentrar lala energíaenergía deldel vientoviento sobresobre unun parpar dede turbinasturbinas eólicaseólicasestratégicamenteestratégicamente situadassituadas..



estratégicamenteestratégicamente situadassituadas..

Tamaño de las Aplicaciones




• Hogares (conectador a red)• Granjas• (cargadores de batería, bombeo de agua, telecom)




• Comunidades remotas• Sistemas Híbridos• Generación Distribuida




• Granjas Eólicas centralizadas• Estaciones de Generación Offshore• Generación Distribuida



Crecimiento en el Tamaño

20082008127m



Clasificación: Velocidad de Giro



Velocidad Fija• El generador es directamente acoplado a la red

principal de suministro.principal de suministro.• La frecuencia de la red determina la velocidad

rotacional del generador y entonces la del rotor.g y



Velocidad Fija• Requiere de una caja convertidora de velocidad con

una relación de transmisión dada.una relación de transmisión dada.• La velocidad del generador depende el número de

pares de polos y de la frecuencia eléctrica de la redp p y f



Velocidad FijaDirectamente acoplados a la red:

• Turbinas de viento con generador asincrónico.

• Turbinas de viento con generador sincrónico.



Velocidad Variable• El generador es conectado a la red a través de un convertidor

electrónico de potencia, o el devanado de excitación delgenerador son alimentados por una frecuencia externa desdeun inversor.

• La velocidad de rotación del generador y entonces la del rotoresta desacoplado de la frecuencia de la red, el rotor puedeoperar con velocidad variable ajustada para la situación actualde velocidad de viento



de ve oc d d de v e o

Velocidad Variable• Generador sincrónico o asincrónico con convertidor en el circuito

principal de potencia.• Generador asincrónico con control de deslizamiento.• Generador asincrónico con convertidores en cascada sobre u

subsincrónico



Esquemas de Aerogeneradores



Aerogeneradores Mas Empleados

RedI

Generador de Induccion

Rotor de Jaula de Ardilla


RedIsUs

CajaConvertidora

enlacedcUr

RedIsUs

InduccionRotor de Jaula

de Ardillaac/dc dc/acIr Ic

r

Capacitores de Compensacion

CajaConvertidora

Co pe sac o



Ventajas y Desventajas

Velocidad constante

Doblemente alimentado

Directamente acopladoconstante alimentado acoplado

• Simple y Robusto

• Eléctricamente

• Menos esfuerzo mecánico

• Menos ruidoso• Menor esfuerzo

mecánicoFortalezas • Eléctricamente eficiente

• Generador estándar

• Menos ruidoso• Generador estándar• Menor capacidad del

convertidor

mecánico• Menos ruidoso• Sin caja convertidora

D bilid d

• Aerodinámica menos eficiente

• Caja • Eléctricamente menos

eficiente

• Eléctricamente menos eficiente

• Convertidor de mayor capacidad

Debilidades convertidotaincluida

• Estrés mecánico• Ruidoso

• Caja convertidoraincluida

• Costoso

requerido• Costoso• Generadores mas

pesados y grandes



• Generador complejo


RedIsUs





CajaConvertidora

ac/dc dc/ac

enlacedc

Ir Ic

Ur

RedIsUs

de Ardilla

CajaConvertidora

Capacitores de Compensacion




http://www.bonus.dk/

Comprada en 2004

SWT-2.3-82 VS82m 2.3MW



SWT-3.6-107107m, 3.6 MW


RedI



http://www.vestas.com

RedIsUs

CajaConvertidora

enlacedcUr

•kW - V52-850 kW ac/dc dc/acIr Ic •1.65 MW – V82-1.65 MW

•2.0 MW – V80-2.0 MW and V90-1.8/2.0 MW •3.0 MW – V90-3.0 MW

90 m diametro

3 0 MW V90 3 0 MW

90 m diametro108m altura

Gamesa G52 850 KW

NEG Micon, Denmark ahora es parte de VESTAS

3.0 MW – V90-3.0 MW Gamesa G52-850 KW Gamesa G58-850 KW Gamesa G80-2.0 MWGamesa G83-2.0 MWGamesa G87-2.0 MWGamesa G90-2.0 MW

1.5 MW2.X MW3.6 MW

http://www.gamesa.es


Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación DistribuidaGamesa G90-2.0 MW

3.6 MW Series104m diametro

http://www.gepower.com


http://www.enercon.de

E-8282 m

2 MW

E-7071 m

2.3 MW



Control de Velocidad



Un controlador electrónico de la turbina comprueba varias veces porsegundo la potencia generada.Cuando ésta alcanza un valor demasiado alto, el controlador envíauna orden al mecanismo de cambio del ángulo de paso, queinmediatamente hace girar las palas del rotor ligeramente fuera delinmediatamente hace girar las palas del rotor ligeramente fuera delviento



Control de Angulo de Pasohttp://www.boschrexroth.com



Curva de Potencia Curva típica de Potencia Aerogenerador (kW) vs. Velocidad del viento (m/seg)

1.4Velocidad

de ArranqueVelocidadde Nominal

Velocidadde Corte

1

1.2

p.u]

NoGeneracion

MaximaEf iciencia del

Rotor

0.6

0.8

a de

Sal

ida

[

Potencia NonimalReduce la Ef iciencia

del Rotor

NoGeneracion

0.2

0.4

Pot

enci

• Los errores en mediciones de velocidad de viento oscilan en ±3% por lo que los errores en las

0 5 10 15 20 25 30 350

Velocidad del Viento [m/s]



• Los errores en mediciones de velocidad de viento oscilan en ±3% por lo que los errores en lascurvas de potencia, certificadas por cada fabricante, pueden ser de hasta ±10%

Curva de Potencia

( ) vpwrpw PCvACP == 3

21, ρθλ



0 3

0.4

0.450º3º5º

0.25

0.3

0.35

effic

ient

10º20º

0.15

0.2

Pow

er C

oe

0

0.05

0.1

Coeficiente de Potencia versus TSR (tip speed ratio) para

0 2 4 6 8 10 120

Tip Speed Ratio



varios ángulo de paso de las palas

Ventajas y DesventajasVentajas de la Energía Eólica

•Fuente limpia.

Desventajas de la Energía Eólica•Debe compartir sobre una base de costos con otrasf é i i l•Fuente de energía local, domestica, autóctona

y abundante.

•Comparada con otras fuentes alternativas, es lat (0 04 0 07$/kWh

fuentes y técnicas comerciales.

•Dependiendo de la calidad del recurso (vientos)puede llegar a ser ± competitivo.

I ió i i i l (CAPEX) lmenos costosa (0.04 a 0.07$/kWh.

•Proyectos pueden construirse en zonasagrícolas, ganaderas y rurales, favoreciendo laseconomías locales, donde la tierra se puede

•Inversión inicial (CAPEX) alta para proyectosindividuales y para proyectos a escala de red muysuperior a plantas térmicas de gas, por ejemplo.

•Fuente intermitente, no siempre esta disponible, pemplear sin interferencia del emplazamiento.

•Ofrece atractivos beneficios de alquilar detierra a sus dueños.

, p pcuando se requiere.

•Localidades de excelentes prospectivas suelenestar alejadas de las zonas de demanda teniendo

t di i l d T D•Demostrado crecimiento de parque eólicos aescala de red publica en los últimos 5 años(32%/año), con capacidad actual de casi 32.000MW.

costos adicionales de T y D.

•La venta de electricidad eolica a la red (factor depenetración en sistemas interconectadas) enocasiones no es muy alta (<10%) por su naturaleza



y ( ) pintermitente.

Impacto ambiental• Efectos meteorológicos sobre el microclima

– Reducción en la velocidad del viento, sin embrago, los árboles locales pueden ejercer el mismoefecto, por lo es poco significativo.

• Efecto de Fauna y Flora.– Efecto de los rotores al vuelo de aves locales y migratorias; estudios de proyectos requieren de

análisis del paso de aves.

R id• Ruido– Efecto notable en maquinas mayores a 100 kW con rango audible <52 dB a 200m, lo que equivale a

un ruido de fondo.

• Interferencias con ondas de TV y RadioInterferencias con ondas de TV y Radio– Movimiento de rotores (palas) reflejan ondas electromagnéticas y pudieran generar cierta interferencia

en zonas locales.

• Seguridad– Alrededor de instalaciones por posible ruptura y caída de rotores y maquinas, los proyectos exigen

cierta ventana de separación con actividades locales

• Impacto visual no estético– Puede afectar la calidad visual de la localidad del emplazamiento.



p

Costos

1000$/kWConexión en Alto voltajeValor de la Potencia:

3000 a 4000$/kWConexión en Bajo VoltajeValor de la Potencia:



Costos de la Energía Eólica

38 cents/kWh

$0.30

$0.40

$

$0.20

2 5 3 5 t /kWh

$0.00

$0.10 2.5-3.5 cents/kWh

1980 1984 1988 1991 1995 2000 2005



Capitulo 2.6: Sistemas Eólicos - Sistemas de Generacion Distribuida

Engineering

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