energia alternativa (eolica)
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2Fuentesalternativasdeenerga2Fuentesalternativasdeenerga
1
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2.1GeneracinElica2.1GeneracinElica
2
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EnergaElicaEnergaElica
Elusodelaenergaelicanoesnuevo
YalosegipcioslautilizabanparanavegarporelroNilohacemasde5000aosatrs.
Mas
tarde
en
la
Europa
medieval
se
utilizaba
para
moler
granos
o
elevar
3
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EnergaElicaEnergaElica
Elprimersistemaparagenerarenergaelctricaapartirdeunafuenteelicaserealizen1890.
Anivelindustriallasprimerasinstalacionesparasuministrar
(2MW)y1988Escocia(3MW)
Desdeentonceslosnivelesdepotenciadelosgeneradoresyparqueselicoshanidoaumentando.
4
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EnergaElicaEnergaElica
Existenmltiplesconfiguracionesdeaerogeneradores
EjeVertical
Eje
Horizontal
5
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EnergaElicaEnergaElica
Losfactoresquemshaninfluidoeneldesarrollodesistemaselicosson
Desarrollodematerialescompuestos
e ucc nene prec o e ae ec r n ca epo enc a
Operacinenvelocidadvariabledelasmquinaselctricas
Experienciaacumulada
6
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EnergaElicaEnergaElica
EstosfactoreshancontribuidoaunareduccinsostenidaenelcostoporkWhgenerado
Costo de la energia Elica
37
30
35
40
1410
6 4 3.510
15
20
energia
[cent/kWh]
0
1980 1985 1990 1995 2000 2005
Ao
7
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EnergaElicaEnergaElica
Estojuntoconincentivosalautilizacindeenergasrenovableshandespertadoelintersporlainstalacindeparqueselicosentodoelmundo.
Capacidad de generacin elica instalada en el mundo
ReginInstaladaen 2001
Acumuladaen 2001
Instaladaen 2002
Acumuladaen 2002
Porcentajeinstalado en
2002.
Europa 4527 17812 6163 23832 85.3
Asia 292 1870 291 2186 4.0
Pacifico 259 478 251 730 3.5
es o . .Total
Mundial
6824 24927 7227 3237 100
8
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VelocidaddelvientoyenergaVelocidaddelvientoyenerga
Losgeneradoreselicoscapturanlaenergacinticacontenidaenelvientopormediodeaspas.
Laenerga
cintica
contenida
en
una
masa
de
aire
m,
movindose
auna
velocidadVpuedesercalculadapor:
2
2
1_ mVcineticaenergia
9
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VelocidaddelvientoyenergaVelocidaddelvientoyenerga
Porotroladolapotenciainstantneadelvientoestadadapor
21
Obienexpresandoelflujoenfuncindeladensidaddeaire ,suvelocidadVyel
_2
reacu er apor asaspas
A
10
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VelocidaddelvientoyenergaVelocidaddelvientoyenerga
Habitualmenteparacompararlacantidaddepotenciaquesepuedecapturarendistintoslugares,seconsideranloswattpormetrocuadrado.
Basadoen
la
ultima
ecuacin
tenemos
entonces
1 23
Dondelosm2 correspondenalreacubiertaporlasaspasdelaturbina.
2_
A
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VelocidaddelvientoyenergaVelocidaddelvientoyenerga
Ahoracabepreguntarsecuantadeestaenergaesposiblecaptar.
Estodepende
principalmente
de
la
diferenciadevelocidadqueexistaA
traslaturbina.
)(__1 2221 VVmasadeflujoPo
Dondeelflujodemasaentrelaentradaylasalidaes
2__ 21
VVAmasadeflujo
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reacubiertaporelrotorreacubiertaporelrotor
Comovimoslapotenciaaextraerdelvientodependelinealmentedelreacubiertaporelrotor.
Paramquinasdeejehorizontalsetienequeelreacubiertaporelrotores
Ladensidad
del
aire
tambin
afecta
en
forma
lineal
la
otencia
quepuedeextraersedelviento.
Ladensidaddelairevaraenfuncindelatemperaturaambiente
ypres n
a mos r ca
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VelocidaddelvientoyenergaVelocidaddelvientoyenerga
Entonceslaenergacaptadaporlaturbinaestadadapor
22211 VV
osisim lificamos
A
21
22
o
11
1
2
1
2
1
2
31
V
V
V
V
AVPo
Podemosverqueresultalamismaexpresinqueenlacondicinidealevaluadaenunprincipio,peroestavezmultiplicadaporunfactoradicional
Estefactor
es
conocido
como
el
coeficiente
de
potencia
de
la
turbina
Cpo
la
eficienciadelrotor.
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VelocidaddelvientoyenergaVelocidaddelvientoyenerga
Luegolapotenciaquepodemosextraerdelvientoestadadapor
31 2 VVpo 1
2
2
1111
VV
Cp
SigraficamoslaeficienciadelrotorparadistintosvaloresdeV2/V1tenemos
Estoes
la
eficiencia
de
un
rotor
tiene
unmximotericode0.59parauna
razndevelocidadesdeuntercio.
Enla
practica
para
rotores
de
dos
palas
elmximoCpesde0.5
15
. .
mspalas
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VelocidaddelvientoyenergaVelocidaddelvientoyenerga
HabitualmenteelcoeficientedepotencianoseespecificaenfuncinaVo/V.
Sedefinelarazndevelocidaddepunta(TipSpeedRatio,TSR)
ElTSReslaraznentrelavelocidadenlapuntadelaspayla
velocidaddel
viento.
VVvTSR
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VelocidaddelvientoyenergaVelocidaddelvientoyenerga
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DistribucindelavelocidaddelvientoDistribucindelavelocidaddelviento
Comovimoslapotenciaquepuedeextraersedesdeunlugarenparticularesfuncindelcubodelavelocidaddelviento.
Perolavelocidaddelvientoencualquierpuntovariaduranteel, , .
Poresto
es
conveniente
oder
conocer
su
distribucin
velocidadpromedioparapoderevaluarlapotencialidaddeunsitio.
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DistribucindelavelocidaddelvientoDistribucindelavelocidaddelviento
Lamejorformadeconocerelcomportamientodelvientoenunlugarenparticularestomarmedicionesporunlargotiempo(10a os
,proyectoselicosnopuedenesperartantotiempo.
Porestohabitualmentesetomandatosenunperiododeunaoylainformacinesutilizadajuntoconunadistribucin
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DistribucindelavelocidaddelvientoDistribucindelavelocidaddelviento
UnabuenadescripcindelavariacindelavelocidaddelvientopuedeserhechaporladistribucindeWeibull
Estadistribucinindicalaprobabilidaddequelavelocidaddelviento
sea
ven
algn
momento
dado
k
c
v
ec
v
c
kvh
)(
Poseedosparmetros
k:factordeforma
c:factor
de
escala
20
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DistribucindelavelocidaddelvientoDistribucindelavelocidaddelviento
Parak=1setienequelacurva
Parak=2lacurvaserepresenta
unadistribucindeviento
tpica
vientoescerolamayorparte
deltiempo
=
distribucinGaussiana.
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DistribucindelavelocidaddelvientoDistribucindelavelocidaddelviento
Amedidaqueelfactordeescalaseaumentalacurvasemuevehacialaderechahacialazonademayoresvelocidadesdeviento.
22
velocidadesdeviento
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DistribucindelavelocidaddelvientoDistribucindelavelocidaddelviento
Engenerallamayorpartedelas
escalaen
el
rango
de
5a10
m/s
(10a20mph).
Valores
tpicos
para
el
factor
de
k=1,5;2o3.
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VelocidadmediayModaVelocidadmediayModa
Paraelanlisisycomparacindedistintaslocacionessedefinendosparmetrosmodayvelocidadmedia.
Modacorresponde
ala
velocidad
ala
que
el
viento
sopla
la
mayor
partedeltiempo.
Modo 4.4 m/s
mpo[%]
Ti
24Velocidad[m/s]
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VelocidadmediayModaVelocidadmediayModa
Lavelocidadmediaduranteunperiododeterminadoestadadaporelreabajolacurva hv
0
8760
1hvdvVmedia
Paralosvaloresdelfactordeformayescalaencontradosenelmayornumerodelugaresestaexpresinpuedesimplificarsepor
cVmedia1
1
25
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VelocidadmediayModaVelocidadmediayModa
Obienparak=2
cVmedia 90.0
Estarelacinesventajosa,yaquehabitualmentelavelocidadmediadeunsitioesfcildeobtener.
Apartirdelavelocidadmediaentoncespodemoscalcularcygraficarladistribucindelavelocidaddelvientodentrodeun
periodo.
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VelocidadmediayModaVelocidadmediayModa
Ejemplo:
Enelmapaderecursoselicosdelafigura
tenemosqueparalasislasenellagoRancola
velocidadmedia
del
viento
es
5
5.5[m/s].
Luegocomok=1.8yc=5.55,ladistribucindela
velocidaddelvientopuedeestimarsepor
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PotenciamediaendistribucionesRaleighPotenciamediaendistribucionesRaleigh
ElcasoparticulardeunadistribucindevelocidaddevientoWeibullconk=2seconocecomounadistribucinRaleigh.
Sicalculamoslavelocidadcubicamediadeladistribucinde
Loquesepuedesimplificaren
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PotenciamediaendistribucionesRaleighPotenciamediaendistribucionesRaleigh
Reemplazandoestavelocidadmediacubicaenlaexpresindepotenciacaptadaporunaerogeneradortenemosentoncesqueapo enc ame agenera aes
29
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RootmeancubespeedRootmeancubespeed
Comosevioenunprincipiolapotenciaquepuedeobtenerseapartirdelvientoesfuncindelcubodesuvelocidad.
Porotroladolaenergacapturadaduranteelperiododeunao3
.
Enbase
aesto
se
uede
definir
la
velocidad
RMC
en
forma
similaraladefinicindelvoltajeRMSencircuitoselctricos.
3 3
8760
1
dvhvvRMC
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RootmeancubespeedRootmeancubespeed
ElcalculodelavelocidadRMCtienelaventajadepermitirlaobtencinrpidadelpotencialelicodeunsitio.
UtilizandolavelocidadRMClapotenciapormetrocuadrado
3
4 RMCRMC vP
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DistribucinEnergticaDistribucinEnergtica
Sedefineladistribucindeenergaparaunsitioenparticularcomo
Parauna
distribucin
con
k=2tenemos
entonces
Tenemosquelamodaes5,5[m/s]
V es6.35
Delagraficalamximacontribucindeenergaseencuentraa9.45[m/s].
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Unsistemadegeneracinelicosecomponedeunaomasunidadesconectadaselctricamenteenparalelo.
Dentrodelsistemacadaunadelasunidadessecomponedelos
Torreysuperestructura
RotorEje
Generador
Mecanismode
orientacin
Sensoresycontrol
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
TorreParasoportarelrotoryequiposes
necesar omon are s s emaso reuna
torre.Laalturadelatorreobedeceados
cr er ospr nc pa es
Debidoaturbulenciaconelsueloa
baja
altura
la
velocidad
del
viento
es
genera men e a a
Comolapotenciaaextraeresfuncindelreacubiertaporlasaspasesnecesar ou care e eaunaaltura
considerable
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
m]
ra
deeje[
Alt
10 100 300 600 1500 3000 5000
Potencia nominal [kW]
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Aspas
Lasaspasdelrotorsonlaspiezasquesoportanmayorestrsenelsistema.
r nc pa men e oses uerzossonpro uc o e a uerzacentrifuga,vibraciones,yeltorqueejercidosobresubaseen
eleje.
Esporestoquecomnmenteseconstruyendemaderade
a a
ens a ,
ra
e
v r o,
o
ma er a es
compues os.
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Definiciones
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Aspas
Paraevitardaosenelsistemadurantecondicionesdevientoexcesivoesnecesariocontrolarlavelocidadyfuerzaejercidas
sobreel
rotor.
Estopuedelograrsecontrolandoelngulodelasaspas(pitch
control)
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Otromtododecontrolarelsistemaelicoencondicionesdevientoexcesivoesmedianteperdidasaerodinmicas(stallcon ro
condicionesdealtovientosegenereunaturbulenciaensu
zona
posterior
Estoaumentalasperdidasaerodinmicasydisminuyela
39
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Mecanismodeorientacin(yaw)
Lafuncindelmecanismodeorientacinesdireccionarel
rotordel
sistema
elico
hacia
el
viento
Estopuedeserimplementadopasivamenteutilizandountimndecola.
Alternativamenteestopuedehacerseenformamecnicaatravsdeunsistemadecontrol
Engeneradoresdealtapotencia(MW)lasturbinasse
40
delasaspas(pitch)
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Enresumen
Variosmtodospuedenusarseparacontrolarlossistemas
elicos.Controlde aw tiltdeformademoverelsistemafueradelvientoencasodecondicionesextremas
afinderegularlavelocidad
Controlde
stall
de
forma
de
mover
las
aspas
auna
posicin
enqueaumentelasperdidasaerodinmicasencondicionesextremas
41
i d i lii d i li
-
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Dimensionamientodelaturbina
Turbinasparageneracinelicasonfabricadasendistintostamaoscon
potenciasdesde
unos
pocos
kW
para
aplicaciones
asiladas,
hasta
3MW
parasistemasdepotencia.
Dadoquelapotenciaquepuedegenerarseapartirdeungeneradorelico
esfuncin
del
cubo
de
la
velocidad
del
viento
ydel
cuadrado
del
dimetro
delrotornoexisteunsolomtodoparadimensionarlaturbina.
Estopuesparaunrotordedimetrodadodiferentesvelocidadesde
vientogeneraran
potencias
distintas.
42
Si d G i EliSi d G i Eli
-
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Porejemplo
Unaturbinadequea7m/sgenera300kWpuedegenerar450kWa8m/s
hablarseentoncesdeunavelocidadnominal?
araes ono ayconsenso,s nem argo ay oss s emas eespecificacinpredominantes.
43
Si t d G i EliSi t d G i Eli
-
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Unaopcinesunndicecombinadoqueincluyelacapacidadmximadelgeneradoryeldimetrodelrotor.
Porejemplo
un
sistema
300/30
indica
300
kW
yun
rotor
de
30
m
.
Otrosistema
usado
ara
es ecificar
una
turbina
elica
es
la
capacidadespecificanominal(SRC)
44
Si t d G i EliSi t d G i Eli
-
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
ElSRCesunamedidadelacapacidaddegeneracindeunaturbinaelicapormetroscuadradosdereacubiertaporlasaspas
aspaslasporcubierta
generadordelnomial
Area
CapacidadSRC
ElvalordelSRCenlaactualidadvariadesde0.2kW/m2pararotoresde10mdedimetrohasta0.5kW/m2 pararotoresde40mdedimetro.
MientrasmasaltoseaelvalordelSRCmayoreselestrsquedebensoportarlasaspasyloscomponentesdeinterconexin
45
Sistemas de Generacin ElicaSistemas de Generacin Elica
-
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
o .
d=82
m
SRC=0.3kW/m2
P = 2.3 MW
46
d=90m
SRC=0.36kW/m2
Sistemas de Generacin ElicaSistemas de Generacin Elica
-
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Potenciav/svelocidadyTSR
Eltorqueenelejedelaturbinaelicaesfuncindelavelocidaddelviento.
Lapotenciamecnicaquepuedeconvertirseaenergaelctricaesfuncindeltorqueylavelocidadangular(P=T)
47
Sistemas de Generacin ElicaSistemas de Generacin Elica
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Enunlugarenparticularlavelocidaddelvientopuedevariarenunampliorango
Comorecordaremosparaunavelocidaddevientodadala
eficienciade
la
turbina
(Cp)
varia
en
funcin
del
TSR
Setienequeelmximovalordepotencia
yeficienciadelrotorocurren
prcticamenteparaelmismovalorde
.
Esdecirparacapturaraltapotenciaaalta
velocidad,tambinesnecesarioqueel
.
EstopuedelograrsemanteniendoelTSR
48
constante
Sistemas de Generacin ElicaSistemas de Generacin Elica
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
EngeneraltresaspectossonafectadosporelTSR
Elestrssobrelasaspasproducidoporlafuerzacentrifugaes
proporcionalal
valor
de
diseo
de
TSR
Lahabilidaddepartirbajocargadelrotoresinversamente
ro orcionalal
TSR
de
diseo
ElmximoCpdelaturbinasealcanzaparaunvalordeTSR
especifico.
Dependiendo
del
diseo
del
rotor
este
puede
ir
desde1paramultiaspashasta6pararotoresde3aspas.
49
Sistemas de Generacin ElicaSistemas de Generacin Elica
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Deestosetienequeparaoptimizarlaextraccindeenergaenunsitioconvelocidaddevientocambianteesvariarlavelocidad
eg ro e ro or.
condicionesdeviento.
ElvalordelTSRdebeserelegidodeformaquelaeficienciadelrotorCpsealamxima.
50
Sistemas de Generacin ElicaSistemas de Generacin Elica
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Laoperacinavelocidadvariable(TSRconstante)permiteobtenerentre20y30%masenerga.
Sinembargo
el
costo
de
operar
en
velocidad
variable
es
mayor,
.
Poresto
habitualmente
en
sistemas
de
ba a
otencia
aun
o eran
envelocidadconstanteysedesconectanbajosituacionesdevientosfuertes.
51
Sistemas de Generacin ElicaSistemas de Generacin Elica
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Compromisosdediseo
Dadoquelossistemasdegeneracinelicaposeenmltiplescomponenteselnumerodeposibilidadesdisponiblesparael
diseadores
grande.
Porejemploesnecesarioevaluarelnumerodeaspasquese
utilizaranen
el
rotor,
orientacin
de
la
turbina,
etc.
52
Sistemas de Generacin ElicaSistemas de Generacin Elica
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Numerodeaspas
Unadelasprimerasdecisionesquedebetomarseenelnumerode
aspasque
se
utilizaran
en
el
rotor
Esposibleconstruirrotoresconunnumerodeaspasde2omas.
bajavelocidad,altotorquedepartidaybajoTSR.
n aactua a sepre ereut zar se oscon osotresaspas oque
permitelograr
mayores
velocidades
yTSR
53
Sistemas de Generacin ElicaSistemas de Generacin Elica
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
Losfactoresquedebenconsiderarsealespecificarelnumerodeaspasparaunrotorson:
Elefecto
en
el
coeficiente
de
potencia
Cp
e se o
Costo
Dinmicaestructural
54
Sistemas de Generacin ElicaSistemas de Generacin Elica
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SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
RotoresdetresaspassoncomnmenteusadosenEuropa
TienencomoventajasunmayorCpyproducenenpromedio
un5%
mas
potencia
que
rotores
de
dos
aspas.
Ademsporsuconfiguracinsonmasestables,puesen
nin nmomento
se
tiene
un
as a
en
la
osicin
de
ma or
torqueyunaspaenposicinopuestabajolasombradelatorre.
55
SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
-
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Porotroladolosrotoresdedosaspastienenlaventajademenorcostoysimplicidaddeinstalacin.
Porotro
lado
requieren
mayor
velocidad
rotacional
para
.
Otradesventa a
de
los
diseos
de
dos
as as
es
su
ma or
contaminacinacsticayvisual.
56
SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
-
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Orientacindelrotor
Paracapturarlaenergaelicaexistendosposiblesorientacionesparaelrotor
Afavor
del
viento
ncon ra e v en o
Laorientacin
en
contra
del
viento
tiene
como
venta as
de
roducir
ma or
potenciayeliminaelproblemaasociadoalasombradelatorre
Estotieneademslasventajasdeproducirmenorruido,menorfatigaenlasaspasyoperacinmassuave.
Porotroladoorientarelrotorafavordelvientotienecomoventajaelalejarlasaspasdelatorre
57
SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
-
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Ejeverticalohorizontal
Enlaactualidadlamayorpartedelosgeneradoreselicossonconstruidosusandoune ehorizontal
Sinembargo
el
uso
de
turbinas
de
eje
vertical
como
la
maquina
deDarrieustienevariasventajas
Esomnidireccional,norequieredemecanismodeorientacin
Sudisposicin
vertical
facilita
la
instalacin
de
la
caja
reductora
LasdesventajasdelamaquinadeDarrieusson
Requieredevientosparamantenerlaenposicin
Noesposibleajustarelpitchdesusaspasdificultandolaoperacinenaltasvelocidadesdeviento
58
SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
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Espaciamientoentretorres
Alinstalarunconjuntodeaerogeneradoresenunparqueelicoes
necesariomantener
cierto
espaciamiento
afin
de
maximizar
la
captura
deenerga
Sibienelespaciamientoesfuncindelterreno,direccindelviento,
velocidadytamao
de
la
turbina
Eloptimoespaciamientoesenfilasenelordende8a12dimetros
Enla
direccin
perpendicular
ala
direccin
del
viento
el
espaciamientodebeserenelrangode1.5a3dimetrosderotor.
59
SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
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Sibienparadeterminarel
requieredeestudiosmasdetalladosdelterrenoy
elico,estareglageneralproporcionaunabuenaprimeraaproximacin
60
SistemasdeGeneracinElicaSistemasdeGeneracinElica
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Operacinamxima
potencia
potenciaesnecesariomantenerlarazndevelocidaddepuntaconstante
(TSRconstante2030%masenerga)
Estorequiere,sinembargo,unesquemadecontrolparapermitir
laoperacin
avelocidad
variable.
Paraestosepuedenutilizardosmtodos
TSRconstante
61
OperacinamximapotenciaOperacinamximapotencia
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TSRconstante:
EstemtodosebasaenelhechodequemximaenergaesextradaaloperarunaturbinaaTSRconstantepara
cualquiervelocidad
de
viento
SiendoelvaloroptimodeTSResunacaractersticadecada
tipo
de
rotor.
ParamantenerelTSRconstanteesnecesarioconocerelva or e correspon en ea ro orusa oya us ar a
operacindel
sistema
en
forma
constante
62
OperacinamximapotenciaOperacinamximapotencia
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63
OperacinamximapotenciaOperacinamximapotencia
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Estemtodotieneladesventajaderequerirlavelocidaddelvientoentodomomento
Lamedicin
de
la
velocidad
del
viento
puede
introducir
,tamaodebidoalefectodesombra.
Ademsestemtodoessensiblealoscambiosquepuedansufrirlasaspas,porloqueserequiererecalibrarelvalorde
.
64
OperacinamximapotenciaOperacinamximapotencia
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Seguimientodemximapotencia
Lacurvadepotenciaversusvelocidaddelrotortieneunpuntode
velocidadresulta
en
prcticamente
la
misma
potencia.
dP
65
d
OperacinamximapotenciaOperacinamximapotencia
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Estemtodoentoncessebasaenrealizarpequeasvariacionesenlavelocidaddeoperacindelaturbinayobservarelcomportamientodela
otencia de salida
Sial
aumentar
la
velocidad
en
forma
incremental
la
razn
P
espos va,en oncesespos esegu raumen an o ave oc a
Porotroladosilaraznesnegativaelsistemanopuedeentregarmaspotencia
Enelcasodequelaraznseaceroseestaoperandoenelpuntodemximapotencia
66
OperacinamximapotenciaOperacinamximapotencia
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67
Requerimientosdecontrolde velocidadRequerimientosdecontrolde velocidad
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Enungeneradorelicolavelocidaddelrotordebesercontroladaportresrazones
Comose
vio
anteriormente
la
velocidad
debe
ser
controlada
Para
rote erel
sistema
de
velocidades
excesivas
de
viento.
Enelcasodequesedesconectelacargaelctrica;enestasituacinelrotorpodragirarfueradecontrolydaarseodestruirse
68
Requerimientosdecontrolde velocidadRequerimientosdecontrolde velocidad
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Zona2
Zona3Encasosdealta
velocidaddevientolavelocidaddelaturbina
Operac naTSRconstante(Cpmximo)
secon ro aparamantenerloslimites
de
diseo
Zona4Pararachasdeviento
develocidadmuysuperioraldiseola
Zona1Velocidaddemasiado
turbinasedetiene
bajacomoparagenerar
energa
69
GeneradorGenerador
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Laconversin
de
energa
puede
realizarse
utilizando
diferentes
tiposdemaquinaselctricas
Lostipos
de
generadores
que
pueden
utilizarse
se
dividen
en
MaquinaDC
MaquinadeInduccin
MaquinadeReluctancia
70
GeneradorGenerador MaquinaDCMaquinaDC
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MaquinaDC
LamaquinaDCseconstruyeenbaseaunaarmaduraydevanadodecampo.
Estamaquina
en
esencia
es
una
maquina
AC
en
la
que
la
conmutador.
Debidoasuconstruccinelconmutadoreslapiezamenosconfiabledelamaquina.
Apesardesusdesventajaslamaquinauemuyu za a uran e a ca a
delos
80,
principalmente
por
lo
simple
queresultaoperarenvelocidad
71
variable
GeneradorGenerador MaquinaSincrnicaMaquinaSincrnica
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MaquinaSincrnica
Lamayorpartedelosgeneradoresutilizados.
Lamaquinasincrnicaoperainherentementeavelocidadyfrecuenciaconstantes,porloquelaoperacinavelocidadvariableescompleja.
PorotroladoestetipodemaquinastambinrequieredeuncampoDC,yesnecesarioalimentarlabobinadeexcitacina
.
Unadelasprincipalesventajasdelamaquinasincrnicaessu
72
a a econ ro ar apo enc areac va
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
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Maquinade
Induccin
Lasmaquinasdeinduccinsoncomnmenteasociadasala.
Princi almente orsusim licidad ba ocosto
Esporestasmismasrazonesquelasmaquinasdeinduccin
.
LaexcitacindelamaquinadeinduccinrequieredecorrienteAC,laqueesprincipalmentereactiva.
73
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
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Espor
esto
que
en
aplicaciones
asiladas
de
la
red
es
necesario
utilizarbancosdecondensadoresparasuministrarlacorrientedeexc ac n.
excitacindebesersuministradaporelsistema,enparticularporlosgeneracionessincrnicos.
Estopresentadesventajasensistemasdbiles,puessegeneran
potenciareactiva.
74
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
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Lamaquina
de
induccin
puede
utilizarse
tanto
como
motor
u
generador.
Desdeel
punto
de
vista
de
la
construccin
no
existen
grandes
.
75
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
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Principiode
operacin
Lavelocidadsincrnicadelamaquinadeinduccinestadadapor
Productodeladiferenciarelativadevelocidadentreelcampo
delestator
el
rotor
se
enera
una
tensin
en
cada
una
de
las
vueltasdelestator
76
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
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Estatensin
por
su
lado
establece
una
corriente
en
el
rotor.
Lainteraccinentreestacorrienteyelflujodelestatorgenerael
torquede
la
maquina
sincrnica.
En
este
caso
la
corriente
inducida
en
el
rotor
es
cero
al
igual
que
eltorque.
77
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
-
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Siel
rotor
de
la
maquina
es
conectado
auna
carga
mecnica
tal
comounventiladorounabomba,estesedesacelera.
Producindosetensin,
corriente
ytorque
en
el
rotor
de
la
rotor.
Ahorasiconectamosalrotordelamaquinaunafuentedemovimiento,talcomounaturbinaelica,ysehacegirarelejea
operacomo
un
generador.
78
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
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Estopues
la
corriente
ytensin
en
el
rotor
invierten
su
polaridad
yenergaestransferidadesdelafuentedeenergamecnicaac a are .
velocidadesspersincrnicas.
Unadelasprincipalesventajasdeutilizarunamaquinadeinduccincomogeneradoresquenorequieredeescobillasni
, .
79
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
-
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Eldeslizamiento
en
una
maquina
d
induccin
se
define
como
la
raznentrelavelocidaddegirodelrotorylavelocidads ncr n caes a ec apore campomagn co ees a or
En
el
caso
de
o erar
la
ma uina
en
modo
motor
el
deslizamiento
essiemprepositivo
Alcontrarioenlaoperacinenmodomotoreldeslizamientodela
maquina
es
negativo
80
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
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Enambos
casos
(generador
y
motor)mientrasmasaltoseaeldeslizamiento ma or ser lacorrienteenelrotorymayorla
conversinde
energa
electromecnica.
Porotroladomientrasmasaltosea
eldeslizamiento
ma ores
sean
las
perdidasresistivasenlamaquina
induccin
opera
con
deslizamientos
bajos
81
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
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Lavelocidad
sincrnica
de
una
maquina
de
induccin
es
funcin
del
numerodeparesdepolos.
Paraunsistemaelctricode50Hzsetienen3000rpm,1500rpmo
1000rpm.
Porotroladolavelocidadenelejedeunaturbinaelicapuedevariardesdecientosderpmparamaquinasdepocapotencia(kW)hastarpm
Esporestoquehabitualmenteserequieredeunacajareductorapara.
Estosinembargoreducelaeficienciadelsistema
82
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
-
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Elcircuitoequivalentedelamaquinadeinduccinesutilizadoparacalcularsucomportamientoyperformance
Lapotenciaelectromecnicadeunamaquinadeinduccintrifsicaenbasealcircuitoequivalenteestadadapor
83
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
-
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Enotras
palabras
la
capacidad
nominal
de
la
maquina
de
induccinestadadapor
orquee ec romec n coene e epue eca cu arse
84
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
-
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Lasperdidas
en
la
maquina
de
induccin
estn
representadas
porlasresistenciasR1,R2yRmenelcircuitoequivalente
Puestoque
la
resistencia
del
fierro
es
en
general
varios
ordenes
generalmenteomitidaenelcalculodeeficiencia.
UtilizandoR1yR2enporunidadtenemosentoncesquelaeficienciadelamaquinaes
85
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
-
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Lasperdidas
generadas
en
el
generador
generan
calor
que
debe
serremovidodesdesuinteriorparaevitardaos
Maquinaspequeas
en
general
son
enfriadas
por
aire,
sin
aerogeneradorresultandifcilesdeenfriarporestemtodo.
Engeneralparamaquinasdegrantamaoelusodeenfriamientoporaguaesmasrecomendable
86
GeneradorGenerador MaquinadeInduccinMaquinadeInduccin
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Enparticular
el
enfriamiento
por
agua
tiene
beneficios
adicionales,losqueson
Ensistemas
enfriados
por
agua
el
tamao
ypeso
del
.
A uda
a
la
reduccin
de
vibraciones
en
el
sistema
Noesnecesarioteneraberturasenlacubiertadelaestructura
87
GeneradorGeneradorMIJAMIJA
-
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enera or e In ucc n Jau a e Ar a
Paralaexcitacindelamaquinadeinduccinesnecesarioproporcionarpotenciareactiva.
paraleloconlosterminalesdelamaquina.
proporcionadaporlasmaquinassincrnicas.
88
GeneradorGeneradorMIJAMIJA
l d d d l d d l
-
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Elgenerador
de
induccin
solo
se
auto
excitara
por
medio
del
condensadorexternosiexisteenelfierrosuficientemagnetismoremanen e.
terminalessonafectadosporlavelocidadderotacindelejeyelvalordelacapacidadconectadaenparalelo.
89
GeneradorGeneradorMIJAMIJA
D l i i i l i
-
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Delcircuito
equivalente
tenemos
que
para
excitar
apropiadamentealgeneradorlacorrientedelcondensadoryrama emagne zac n e enser gua es
Donde
el
volta e
V1
es
funcin
de
la
corriente
de
ma netizacin
aumentandolinealmentehastaqueelncleodelamaquinaalcanzaelpuntodesaturacin
90
GeneradorGeneradorMIJAMIJA
-
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Paraqueelgeneradoropereenformaestableesnecesarioquelacurva
V1vsImseintersectelarectaImXc
11
91
mc XX
GeneradorGeneradorMIJAMIJA
Entonces en funcin de la capacidad C la frecuencia
-
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Entoncesen
funcin
de
la
capacidad
Cla
frecuencia
enlosterminalesdelamaquinaquedadeterminadaor
Bajocargalapotenciaactivasuministradaporelgeneradorestadadapor
Comolascorrientesreactivasenelsistemadebenserceroentoncestenemos
92
GeneradorGeneradorMIJAMIJA
Entonces se tiene que las ecuaciones
-
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Entoncesse
tiene
que
las
ecuaciones
Establecenlafrecuenciaymagnituddelatensinenlosterminalesdelgeneradordeinduccinparaunvalordadodeca acidad
Oenformaopuestaestaspuedenserusadasparacalcularelvalordecapacidadnecesarioparalaoperacindeelgenerador
deinduccin
93
GeneradorGeneradorDFIGDFIG
Generador de Induccin Doblemente Alimentado
-
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Generadorde
Induccin
Doblemente
Alimentado
uso emaqu nas e n ucc nconro or o na o uecomnmenteusadoenlaindustriaparaaplicacionesenvelocidadvariableantesdelamasificacindelaelectrnicadepotencia.
resistenciaalosdevanadosderotorpormediodeanillosdeslizantes.
94
GeneradorGeneradorDFIGDFIG
El siguiente desarrollo e cuanto a maquinas de rotor bobinado
-
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Elsiguiente
desarrollo
ecuanto
amaquinas
de
rotor
bobinado
fuelainclusindeunpuentedediodospararecuperarenergare ac ona acone es zam en o.
resistenciasalosdevanadosderotor.
Laenergarecuperadadeestaformaesdevueltaalaredpormediodeuninversor
95
GeneradorGeneradorDFIGDFIG
El puente de diodos puede ser reemplazado por un rectificador
-
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Elpuente
de
diodos
puede
ser
reemplazado
por
un
rectificador
defuenteactivo
Estotiene
la
ventaja
de
permitir
el
control
independiente
de
Py
96
GeneradorGeneradorDFIGDFIG
Adems de poder controlar en forma independiente las potencia
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Ademsde
poder
controlar
en
forma
independiente
las
potencia
activayreactivaelusodelosanillosdeslizantestienelaventaja
(2030%).
Estasdoscaractersticasdelamaquinadoblementealimentadalahaceninteresantedesdeelpuntodevistadeageneracinelica.
Deestaformalavelocidaddelrotornodebemantenerse,
mientras
el
estator
suministra
potencia
a
la
red
en
frecuencia
constante.
97
GeneradorGeneradorDFIGDFIG
En el marco de referencia estacionario el circuito equivalente de
-
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Enel
marco
de
referencia
estacionario
el
circuito
equivalente
de
lamaquinadeinduccindoblementealimentadaes
Delcircuitoequivalentelosflujosdeestatoryrotorestndadospor
98
GeneradorGeneradorDFIGDFIG
-
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Ademslosvoltajesderotoryestatorsepuedenobtenerapartirde
99
GeneradorGeneradorDFIGDFIG
Substituyendo las ecuaciones del flujo de estator y rotor en las
-
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Substituyendolas
ecuaciones
del
flujo
de
estator
yrotor
en
las
ecuacionesdevoltajetenemos
Obiencombinandoestasdosecuaciones
100
GeneradorGeneradorDFIGDFIG
Si expresamos estos ltimos resultados en el marco de referencia
-
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Siexpresamos
estos
ltimos
resultados
en
el
marco
de
referencia
DQtenemos
r
s
101
GeneradorGeneradorDFIGDFIG
Enbase
alas
ecuaciones
obtenidas
ysi
despreciamos
las
perdidas
en
las
i t i d t t d i l t i ti ti
-
7/26/2019 energia alternativa (eolica)
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resistenciasdeestatorpodemosaproximarlapotenciaactivayreactivaentre ada or el enerador de induccin doblemente alimentado or
Estoeslapotenciaactivaentregadaporelgeneradorpuedesercontrolada
variandola
componente
en
el
eje
directo
de
la
corriente
de
rotor.
Porotroladolapotenciareactivaentregadaporelgeneradorpuedecontrolarsemediantelacomponenteenejedecuadraturadelacorrientede
rotor
102
AccionamientosAccionamientos
Como se ha visto la velocidad de rotacin de la turbina esb t t b j l l id d id l d
-
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bastantemasbajaquelavelocidadrequeridaporelgenerador.
Porestaraznesnecesarioutilizarunacajaelevadora,pudiendoel
sistema
operar
en
velocidad
fija
o
variable.
Comovimosparacapturarlamayorpotenciaposiblees
mantenerelTSRconstante.
Porotroladoesnecesariocontrolarlavelocidaddelaturbina
duranterfagas
de
viento
para
evitar
dao
o
destruccin
103
AccionamientosAccionamientos
Para lograr estos dos objetivos en forma simultanea es que se
-
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g
j
q
definezonasdeoperacinparaelsistemaelico
104
AccionamientosAccionamientos UnavelocidadfijaUnavelocidadfija
Accionamientode
una
velocidad
-
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Laoperacindeelsistemaelicoavelocidadconstantetienelasventajaseser e c mp emen ac nyecon m co.
Sinembargo
tiene
la
desventaja
de
capturar
menor
potencia,
pues
no
operaenelmximodeCpdurantelamayorpartedeltiempo.
Comolavelocidaddelaturbinayrpmnominalesdelamaquinaelctrica
sondistintas
es
necesario
utilizar
una
caja
reductora
(elevadora)
para
hacerelinterface.
105
AccionamientosAccionamientos UnavelocidadfijaUnavelocidadfija
-
7/26/2019 energia alternativa (eolica)
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Estetipodeesquemaseajustaenformanaturalalaoperacindelamaquinadeinduccin.
Antevariacionesdelavelocidaddelvientoeltorqueelectromecnicoypotenciase
ajustan
al
variar
el
deslizamiento Sinembargoelmargendevariacindeldeslizamientoespequeo.
106
em sa aumentare es zam entoaumentan asper asye es zam ento
AccionamientosAccionamientos DosvelocidadesfijasDosvelocidadesfijas
Accionamientode
dos
velocidades
fijas
-
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Paramejorarelaprovechamientodelaenergadisponibleserequierepoderoperaramasdeunavelocidad.
s opue e acersemo can oe s s emae co e osformasdistintas
Utilizandounaca areductora ue uedacambiarsurazndetransformacinentredosvaloresdistintos
zan oungenera orqueperm acam are
numerode
polos
107
AccionamientosAccionamientos DosvelocidadesfijasDosvelocidadesfijas
Caja
reductora
de
dos
velocidadesAl ifi l d t f i d l j d t d b
-
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Alespecificarlasrazonesdetransformacindelacajareductoradeben
Ladecisindeoperarconunauotrarazndetransformacinsehaceen
base
a
la
velocidad
del
viento
en
un
instante
dado
108
AccionamientosAccionamientos DosvelocidadesfijasDosvelocidadesfijas
Generador
con
cambio
de
polos
E i d d di d d d
-
7/26/2019 energia alternativa (eolica)
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Estetipodegeneradoressediseancondevanadosde
estator
de
forma
que
puedan
ser
conectados
en
serie
o
paralelo
para
dar
diferente
numero
de
pares
de
polos.
109
AccionamientosAccionamientos VelocidadvariableVelocidadvariable
Accionamientode
velocidad
variable
C h di tid t i id d l i
-
7/26/2019 energia alternativa (eolica)
110/119
Comosehadiscutidoconanterioridad,laoperacinenvelocidadvariableresultaserlamasconvenientedesdeelpuntodevistadelacaptacindeenerga.
Engeneralexistendostecnologasquepermitenoperarenvelocidadvariable
Cajareductoradevelocidadvariable(CVT)
Electrnicadepotencia
110
AccionamientosAccionamientos VelocidadvariableVelocidadvariable
Cajareductora
de
velocidad
variable
(CVT)
El d j d t d l id d i bl it
-
7/26/2019 energia alternativa (eolica)
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ElusodecajasreductorasdevelocidadvariablepermiteoperarelsistemaaTSRconstante
Sin
embargo
en
la
practica
se
ha
encontrado
que
el
uso
beneficios
111
AccionamientosAccionamientos VelocidadvariableVelocidadvariable
Electrnicade
potencia
La aplicacin de electrnica de potencia en sistemas
-
7/26/2019 energia alternativa (eolica)
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Laaplicacindeelectrnicadepotenciaensistemas
losofrecidosporotrassoluciones.
losterminalesdelgeneradoralvoltajeyfrecuenciafijosrequeridosporlared.
Sibienelusodeunconvertidorenelsistemaelicoaumentalasperdidasyelcosto,engeneralpara
favorable
112
AccionamientosAccionamientos VelocidadvariableVelocidadvariable
-
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113/119
113
AccionamientosAccionamientos VelocidadvariableVelocidadvariable
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114
AccionamientosAccionamientos VelocidadvariableVelocidadvariable
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AccionamientosAccionamientos VelocidadvariableVelocidadvariable
-
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FactordeCapacidadFactordeCapacidad
Unode
los
factores
mas
importantes
en
un
sistema
de
generacinessupotencianominal,esdecircuantapotenciaes
-
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g p , ppos egeneraren ormacon nua.
,sistemaestalimitadaporsupotenciadeplaca.
Siel
generador
opera
apotencia
nominal
por
un
ao
completo
la
energageneradaestadadaporlamultiplicacindesupotencia.
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FactordeCapacidadFactordeCapacidad
Enel
caso
de
los
sistemas
elicos
la
potencia
generada
ser
en
generalmenorproductodevariacionesenlavelocidaddel
-
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v en o.
convenientequevinculalapotencianominalconlaenergaentregada.
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FactordeCapacidadFactordeCapacidad
Elfactor
de
capacidad
de
una
turbina
puedeexpresarseenfuncindelavelocidad romedio del viento
-
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velocidad romedio del viento.
Paravelocidades
habituales,
entre
4y10
altamentelineal
Endichazonaelfactordecapacidadpuedeaproximarsepor
Yelfactordecapacidadpuedeserutilizadoparacalcularlaenergaanualgenerada
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