sistemas de gen eolicos - cpc2015
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Generación Eléctrica mediante Energía Renovable No Convencional
Sistemas de Conversión Eólicos
Curso Plan Complementario 2015
Dr. Miguel López G.Escuela de Ingeniería EléctricaPontificia Universidad Católica de Valparaíso
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Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eólicos
• Implementación mecánica– Molinos de viento (Turbinas Eólicas)– Torres– Movimientos de masas de aire– Ajustes mecánicos de Aspas
• Estructuras eléctricas/electrónicas de Conversión– Velocidad fija / velocidad variable
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Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales
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FUNDAMENTOS IMPLEMENTACIÓN MECÁNICA
Parte 1
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Turbinas Eólicas• Conversión de la energía aerodinámica a mecánica
rotacional (Rotor)– Turbinas de eje horizontal (HAWT) – Turbinas de eje vertical (VAWT)
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Turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT)
• Multi-pala: 2 (bipala), 3 (tripala), más palas – A barlovento
• La más utilizada• Necesita de un mecanismo de orientación
– A sotavento• Sin mecanismos de orientación• Carga despareja en las palas (efecto sombra de la
torre)
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Turbinas Eólicas de Eje Horizontal
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[Fuente: www.windstuffnow.com]
[Fuente: www.wikipedia.org]
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Turbinas eólicas de eje Vertical (VAWT)
• No necesitan sistema de orientación• Algunas requieren sistema de arranque• No utilizan torre / torres bajas
– Menor complejidad y mantención– Menor cantidad de viento
• Ejemplos: Darrieus, Tipo H, Savonius,…
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Turbinas Eólicas de Eje Vertical
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[Fuente: www.wikipedia.org][Fuente: www.wikipedia.org]
www.gizmology.net
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Implementación mecánicaTipos de Torres. Grandes Turbinas
Torre tubular (Monopole) Celosía (lattice or truss)
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Parque eólico offshore Turbinas de 5MW REpower - Mar del Norte, Bélgica
Turbina Eólica Fuhrländeren Laasow, Alemania. La más alta del mundo (205m). Torre de celosía.
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Implementación mecánicaTipos de Torres. Pequeñas Turbinas
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Energías Renovables No Convencionales
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Fuente: www.windturbinestar.com (Turbinas Aeolos)
• Con tirantes (guyed)– Torre de mástil (tubular) tensado– Torre de celosía
• Independientes (freestanding)– Torre de celosía, – Mástil Tubular– Torre hidráulica
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Movimientos de masas de aire• Potencia en el viento
– Para una masa de aire a una velocidad v , a través de un área de sección A:
;
[W]
• No usar viento promedio para calcular la energía disponible• Densidad: (a 15°C, 1 atm) ; depende de la Temperatura,
Altitud
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Movimientos de masas de aire• Altura de la torre, velocidad del viento
– α: coeficiente de fricción, depende de las características del terreno
• entre 0.1 para terreno duro y liso o agua calma y 0.4 para grandes ciudades con edificios altos
– z: largo de aspereza [m]• Desde 0.0002 para la superficie del agua, a 1.6 para ciudades y
bosques densos
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Potencia extraída por el rotor de la turbina
• Diferencia de potencias de entrada y salida (v1 > v2)
– Flujo másico a través de la turbina:
(con )
• Eficiencia del rotor (Coeficiente de potencia)–
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Rendimiento máximo turbinas eólicasLey de Betz
• Eficiencias de rotores (turbinas) actuales– Definición: Razón velocidad en
punta de pala TSR (Tip-Speed-Ratio)
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Fuente: buckville.com
• Eficiencia del rotor (coeficiente de potencia) y Potencia extraída–– Máximo: ;– (límite de Betz)
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Ajustes mecánicos de aspas
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• Tipos de fuerzas aerodinámicas– Arrastre (Drag)
• Turbinas tipo Savonius, anemómetros (medición del viento)– Sustentación (Lift): Efecto de elevación ala de avión
• Coeficiente de potencia mayor
• Control y Protección de Turbinas Eólicas– Control aerodinámico de la potencia de grandes turbinas
• Control por ajuste del ángulo de ataque (Blade-pitch) (próxima diapo)• Control activo de pérdida aerodinámica (Active Stall)
– Protección del sistema a vientos fuertes• Posición en Bandera
• Control aerodinámico de potencia pequeñas turbinas– Control pasivo de pérdida aerodinámica (Passive-Stall) (próxima diapo)– Control de orientación de la góndola (Yaw control)
http://firstflight.open.ac.uk/
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Control de ajuste de ángulo de ataque y efecto de pérdida aerodinámica
Control del ángulo de ataque (Blade-pitch)
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[Fuente: Hau, Wind Turbines, 2006]
Pérdida aerodinámica (stall)
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SISTEMAS DE CONVERSIÓN EÓLICOS
Parte 2
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Sistemas de conversión para Turbinas eólicas de velocidad fija
• 2 Generadores de inducción (1:4)– Pequeño para vientos bajos
• Banco de condensadores variable• Control Stall (pasivo o activo)
• Ventajas– Robusto frente a fallas en la red– Económico
• Desventajas– Requiere de una red de potencia
fuerte para operación estable– Sin control de velocidad– Altos esfuerzos mecánicos
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Turbinas eólicas de velocidad variable. Resumen de la tecnología actual
Energía Eólica
Turbina
Accionamiento Directo
Sincrónica multi-polar
Bobinado
Convertidor
Caja de Engranajes
Sincrónica
de Imanes permanentes
Convertidor
de Inducción
Jaula de Ardilla
Convertidor
Bobinado o doblemente alimentado
Conexión directa a la red
Entrada
Transmisión
Máquina
Rotor
Conexión a la red
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Sistemas de conversión. Turbinas eólicas de velocidad variable
• Características DFIG– Generador de inducción de
rotor bobinado– Ajuste del ángulo de pala,
velocidad variable– ±30% de variación del
deslizamiento alrededor de la velocidad sincrónica
– Convertidor (espalda con espalda o AC/AC directo) en circuito de rotor
• Ventajas– Control suave de potencia reactiva– Conexión suave a la red– Cargas mecánicas reducidas
• Desventajas– Anillos colectores à mayor mantención– Convertidor sensible a fallas de la red à esquema de
protección complejo
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Sistemas de conversión para turbinas eólicas de velocidad variable
• Ajuste de ángulo de pala - velocidad variable
• Con / Sin Caja de cambios • Generador
– Síncrono (bobinado o a Imanes permanentes)
– De inducción Jaula de ardilla
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• Convertidor de potencia– Rectificador a diodos +
elevador de CC / CC + inversor
– Espalda con Espalda– Convertidor AC / AC directo
(convertidor matricial, ciclo-convertidor, etc.)
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Esquema de Control para Sistema Eólico con DFIG
• Objetivos de Control– Operación para punto de
potencia máxima– Regulación de potencia a
vientos fuertes– Potencia reactiva
• Control turbina– Control del ángulo de
ataque– Limitación de la potencia
• Control DFIG– Potencias activa y reactiva– Convertidor del lado de la
red• Tensión DC• Factor de potencia
unitario
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Esquema de Control para Sistema Eólico con PMSG
• Objetivos de Control– Operación para punto de potencia
máxima– Regulación de potencia a vientos fuertes– Potencia reactiva
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• Control turbina– Control del ángulo de ataque– Limitación de la potencia
• Control PMSG– Punto de máxima potencia– Convertidor del lado de la red
• Tensión DC• Factor de potencia unitario
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Curva de Potencia de una Turbina Eólica
• Información técnica más importante de una turbina eólica:– Relación Potencia eléctrica de
salida vs. velocidad del viento (P vs. v)
– Parámetros• Viento mínimo (cut-in)• Viento nominal • Viento máximo (cut-out o furling)
• Optimización– Aumento del radio de las palas– Aumento del generador
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RECURSO EÓLICOParte 3
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Recurso viento. Formas de representación. Densidad de potencia
• Histograma del recurso viento – Recopilación de datos (discreta)
en el sitio
• Densidad de potencia promedio del viento–
• Función de Densidad de Probabilidad del viento: Representación continua– Distribución Weibull–
• Parámetros de forma (k) y de escala (c)
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260 5 10 15 20 25
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
v [m/s]
f(v)
k=1k=2k=3
-5 0 5 10 15 20 25 300
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
v[m/s]
Hor
as p
or A
ño
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Función de Densidad de ProbabilidadDistribución Rayleigh (k = 2)
• Para suposición inicial, sitios sin datos conocidos
• Promedio (válido para 1.5 < k < 4)
• Densidad de potencia promedio – 0 5 10 15 20 250
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
v [m/s]
f(v)
c=4 (V = 3.5 m/s)c=6 (V = 5.3 m/s)c=8 (V = 7.1 m/s)
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