Capitulo 2.6: Sistemas Eólicos - Sistemas de Generacion Distribuida

8082139
Sistemas de Generación Distribuida
Energía Eólica
Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt
fglongatt@ieee.org
Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org
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TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html

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Energía EólicaEnergía Eólica
IntroducciónIntroducción
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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.
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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 p
plantas de la tierra
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Energía Eólica
• La energía eólica son mejores en las costas y colinas,
sin embargo, estos se pueden encontrar ensin embargo, estos se pueden encontrar en
prácticamente 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 (energía
hidroeléctrica) y suele estar disponible mayor tiempo) y p y p
durante un día.
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Fuerzas de Coriolis
• En 1835, Coriolis publicó su teoría del
comportamiento de los cuerpos en movimiento sobrecomportamiento de los cuerpos en movimiento sobre
una superficie rotante.
• En la Tierra, la fuerza de Coriolis es perpendicular a, f p p
la velocidad relativa de los objetos y se orienta hacia
la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda
en el hemisferio sur.
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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 la
Tierra y el seno de la latitud.
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Energía del Viento
• La distribución de Weibull global genera una curva
de distribución probabilística de velocidadesde distribución probabilística de velocidades
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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 vientos
para la localidad.
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Energía Eólica
Energía Cinética
(Viento)
Energía Eléctrica
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Principios Energéticos del Viento
La energía cinética, Ec, en una pieza de masa de aire m, fluyendo a
una velocidad vw [m/seg] es dada por
( ) 22
2
1
2
1
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 viento
P (W) es la derivada en el tiempo de la energía cinéticaPw (W) es la derivada en el tiempo de la energía cinética.
( ) ( ) 32
2
1
2
1
uA
dt
dx
uA
dt
dU
Pv ρρ ===
22 dtdt
m vw
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Energía del Viento
ρ
( ) 3
2
1
uAPv ρ=
ρ
A 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
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Energía del Viento
LaLa cantidadcantidad dede energíaenergía transferidatransferida alal rotorrotor porpor elel vientoviento dependedepende dede::
32
2
mv
E
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( )
32
22
2 av
vtA
t
v
tt
E
N cinetica
viento ====
ρ
ρ

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 permiten
evaluar el potencial de la energía eólica en una
determinada localidad con prospectiva para un
proyecto.
• También se suelen registrar datos de temperatura
local, humedad relativa y presiones barometricas.
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Energía del Viento
Clases 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
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Ley Betz
La ley de Betz dice que sólo puede convertirse menos de
16/27 (el 59 %) de la energía cinética en energía16/27 (el 59 %) de la energía cinética en energía
mecánica usando un aerogenerador.
La ley de Betz fue formulada por primera vez por elLa ley de Betz fue formulada por primera vez por el
físico alemán Albert Betz en 1919. Su libro "Wind-
Energie", publicado en 1926.Energie , publicado en 1926.
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Ley de Betz
La ecuación de Betz proporciona el límite superior de las posibilidades de un
aerogenerador, pero en sí es poco fina, pues no tiene en cuenta una serie de
factores 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.
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Energía EólicaEnergía Eólica
Tipos de AerogeneradoresTipos de Aerogeneradores
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Clasificación de los Aerogeneradores
Aeroturbinas 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
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Eje VerticalEje Vertical

Tipos de Aerogeneradores
Eje
HorizontalHorizontal
Eje
Vertical
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AerogeneradorAerogenerador DarrieuxDarrieux AerogeneradorAerogenerador SavoniusSavonius34m34m, 500 kW, 500 kW

Eje Horizontal
Se 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.
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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 y
1990, algunos intentos fueron hechos para comercializar
diseños de una y dos palas. Diseño de Tres palas
Diseño de Dos palas
Diseño de Una pala
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Eje Vertical
El 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
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Eje Vertical
El aerogenerador Darrieux o de catenaria, requiere para un
correcto funcionamiento, vientos de 4 a 5 metros por segundo
como mínimo, manteniendo grandes velocidades de giro y un
buen rendimiento; se construyen con 2 ó 3 hojas
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. Aeroturbina Darrieux de 70 kW (Lab. Sandia, Albuquerque, New México)
34m34m, 500 kW, 500 kW

Giromill
El molino vertical de palas tipo giromill o ciclogiro que deriva del
Darrieux; tiene entre 2 y 6 palas.
ASI/Pinson Cycloturbine
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Prototipo giromill 500 kW. MacDonnell-Douglas
McDonnell Aircraft Vertical Axis Giromill

Especiales
Buscan para generar potencias superiores hasta los 100 MW
G d i ló i tá i i d lGeneradores ciclónicos, está inspirado en el
principio que utiliza la naturaleza al generar
energía en tornados, ciclones y huracanes; el
viento sopla tangencialmente sobre una torre
cilíndrica y penetra en su interior a través de
deflectores produciendo un tornado en sudeflectores, produciendo un tornado en su
interior
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Turbina tipo tornado

Especiales
El generador Andreu-Enfield, tiene sus palas
huecas, las cuales giran por la acción del viento
exterior que incide sobre ellas como unaexterior que incide sobre ellas como una
máquina eólica normal, lo que provoca la
expulsión del aire en ellas contenido, que sale
d did b t l t d ldespedido bruscamente por los extremos de las
mismas, por efecto de la fuerza centrífuga
originada en el giro, generando una depresión o
í i l i i i lvacío parcial en su interior, que permite la
aspiración de aire por la parte inferior de la
estructura, el cual hace girar una turbina eólica
de eje vertical conectada a un alternador situado
en su parte inferior.
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Generador de Andreu-Enfield

Especiales
• Este aerogenerador fue construido
en 1950 por la sociedad británica
Enfield para la British Electricity
Authority.
– Potencia nominal de 100 kW para velocidades del viento
did 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
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Aerogenerador Andreu-Enfield

Especiales
Concentrador de Viento tipo ala delta
LosLos concentradoresconcentradores dede viento,viento, queque tienentienen formaforma dede alaala enen deltadelta
generangeneran vórticesvórtices aa ambosambos ladoslados dede lala misma,misma, lolo queque permitepermite
concentrarconcentrar lala energíaenergía deldel vientoviento sobresobre unun parpar dede turbinasturbinas eólicaseólicas
estratégicamenteestratégicamente situadassituadas..
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estratégicamenteestratégicamente situadassituadas..

Tamaño de las Aplicaciones
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• Hogares (conectador a red)
• Granjas
• (cargadores de batería, bombeo de agua, telecom)
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• Comunidades remotas
• Sistemas Híbridos
• Generación Distribuida
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• Granjas Eólicas centralizadas
• Estaciones de Generación Offshore
• Generación Distribuida
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Crecimiento en el Tamaño
20082008
127m
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Clasificación: Velocidad de Giro
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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
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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
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Velocidad Fija
Directamente acoplados a la red:
• Turbinas de viento con generador asincrónico.
• Turbinas de viento con generador sincrónico.
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Velocidad Variable
• El generador es conectado a la red a través de un convertidor
electrónico de potencia, o el devanado de excitación del
generador son alimentados por una frecuencia externa desde
un inversor.
• La velocidad de rotación del generador y entonces la del rotor
esta desacoplado de la frecuencia de la red, el rotor puede
operar con velocidad variable ajustada para la situación actual
de velocidad de viento
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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
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Aerogeneradores Mas Empleados
RedI
Generador de
Induccion
Rotor de Jaula
de Ardilla
Generador de
Induccion
RedIs
Us
Caja
Convertidora
enlace
dcUr
RedIsUs
Induccion
Rotor de Jaula
de Ardilla
ac/dc dc/acIr Ic
r
Capacitores de
Compensacion
Caja
Convertidora
Co pe sac o
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Ventajas y Desventajas
Velocidad
constante
Doblemente
alimentado
Directamente
acopladoconstante alimentado acoplado
• Simple y
Robusto
• Eléctricamente
• Menos esfuerzo
mecánico
• Menos ruidoso
• Menor esfuerzo
mecánico
Fortalezas
• 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 convertidota
incluida
• Estrés mecánico
• Ruidoso
• Caja convertidora
incluida
• Costoso
requerido
• Costoso
• Generadores mas
pesados y grandes
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• Generador complejo

RedIs
Us
Generador de
Induccion
Rotor de Jaula
de Ardilla
Generador de
Induccion
Rotor de Jaula
de Ardilla
Caja
Convertidora
ac/dc dc/ac
enlace
dc
Ir Ic
Ur
RedIsUs
de Ardilla
Caja
Convertidora
Capacitores de
Compensacion
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RedI
Generador de
Induccion
Rotor de Jaula
de Ardilla
http://www.vestas.com
RedIs
Us
Caja
Convertidora
enlace
dcUr
•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 diametro
108m altura
Gamesa G52 850 KW
NEG Micon, Denmark ahora es
parte de VESTAS
3.0 MW – V90-3.0 MWGamesa G52-850 KW
Gamesa G58-850 KW
Gamesa G80-2.0 MW
Gamesa G83-2.0 MW
Gamesa G87-2.0 MW
Gamesa G90-2.0 MW
1.5 MW
2.X MW
3.6 MW
http://www.gamesa.es
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Gamesa G90-2.0 MW
3.6 MW Series
104m diametro
http://www.gepower.com

Un controlador electrónico de la turbina comprueba varias veces por
segundo la potencia generada.
Cuando ésta alcanza un valor demasiado alto, el controlador envía
una orden al mecanismo de cambio del ángulo de paso, que
inmediatamente hace girar las palas del rotor ligeramente fuera delinmediatamente hace girar las palas del rotor ligeramente fuera del
viento
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Curva de Potencia
Curva típica de Potencia Aerogenerador (kW) vs. Velocidad del viento (m/seg)
1.4
Velocidad
de Arranque
Velocidad
de Nominal
Velocidad
de Corte
1
1.2
p.u]
No
Generacion
Maxima
Eficiencia del
Rotor
0.6
0.8
adeSalida[
Potencia Nonimal
Reduce la Eficiencia
del Rotor
No
Generacion
0.2
0.4
Potenci
• 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 35
0
Velocidad del Viento [m/s]
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• Los errores en mediciones de velocidad de viento oscilan en ±3% por lo que los errores en las
curvas de potencia, certificadas por cada fabricante, pueden ser de hasta ±10%

0 3
0.4
0.45
0º
3º
5º
0.25
0.3
0.35
efficient
10º
20º
0.15
0.2
PowerCoe
0
0.05
0.1
Coeficiente de Potencia versus TSR (tip speed ratio) para
0 2 4 6 8 10 12
0
Tip Speed Ratio
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varios ángulo de paso de las palas

Ventajas y Desventajas
Ventajas de la Energía Eólica
•Fuente limpia.
Desventajas de la Energía Eólica
•Debe compartir sobre una base de costos con otras
f é i i l
•Fuente de energía local, domestica, autóctona
y abundante.
•Comparada con otras fuentes alternativas, es la
t (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 zonas
agrícolas, ganaderas y rurales, favoreciendo las
economías locales, donde la tierra se puede
•Inversión inicial (CAPEX) alta para proyectos
individuales y para proyectos a escala de red muy
superior a plantas térmicas de gas, por ejemplo.
•Fuente intermitente, no siempre esta disponible, p
emplear sin interferencia del emplazamiento.
•Ofrece atractivos beneficios de alquilar de
tierra a sus dueños.
, p p
cuando se requiere.
•Localidades de excelentes prospectivas suelen
estar alejadas de las zonas de demanda teniendo
t di i l d T D
•Demostrado crecimiento de parque eólicos a
escala de red publica en los últimos 5 años
(32%/año), con capacidad actual de casi 32.000
MW.
costos adicionales de T y D.
•La venta de electricidad eolica a la red (factor de
penetración en sistemas interconectadas) en
ocasiones no es muy alta (<10%) por su naturaleza
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y ( ) p
intermitente.

Impacto ambiental
• Efectos meteorológicos sobre el microclima
– Reducción en la velocidad del viento, sin embrago, los árboles locales pueden ejercer el mismo
efecto, 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.
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p

Capitulo 2.6: Sistemas Eólicos - Sistemas de Generacion Distribuida

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