apunte energias renovables prim 2009

8/2/2019 Apunte Energias Renovables Prim 2009

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Universidad de ChileFacultad de Ciencias Fsicas y MatemticasDepartamento de Ingeniera Elctrica

APUNTEEL6000

GENERACIN DEENERGAELCTRICA CONFUENTESRENOVABLES

OTOO2009


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I

ndice

Captulo 1 Introduccin ........................................................................................ Captulo 2 Conceptos Bsicos de Mquinas Rotatorias ......................................

2.1 Introduccin .................................................................................................................. 2.2 Consideraciones Generales ........................................................................................... 4

2.2.1 Mquinas sincrnicas elementales......................................................................... 4 2.2.2 Mquinas elementales de Corriente Continua (C.C.) ............................................ 8 2.2.3 Mquinas elementales de induccin ...................................................................... 9

2.3 Tensiones inducidas .................................................................................................... 10 2.3.1 Mquinas de Corriente Alterna (C.A.) ................................................................ 10 2.3.2 Mquinas de Corriente Continua (C.C.) .............................................................. 12

2.4 Fuerzas magnetomotrices de los devanados distribuidos ........................................... 13 2.4.1 Devanado de paso completo ................................................................................ 13 2.4.2 Devanado de paso fraccionario............................................................................ 17

2.5 Torque en mquinas de polos no salientes ................................................................. 23 Captulo 3 Energa Elica ....................................................................................

3.1 Introduccin ................................................................................................................ 26 3.1.1 Desarrollo histrico de la generacin elica........................................................ 27 3.1.2 Desarrollo en Chile .............................................................................................. 29

3.2 Caracterizacin del recurso elico .............................................................................. 30 3.2.1 Condiciones del emplazamiento .......................................................................... 30 3.2.2 Variabilidad del viento ........................................................................................ 32 3.2.3 Potencia extrable del viento............................................................................... 34

3.3 Control de una central elica ...................................................................................... 37 3.3.1 Control sobre la operacin de los aerogeneradores ............................................. 37 3.3.2 Control sobre la Potencia inyectada a la red........................................................ 40

3.4 Generacin Elica y Calidad de Suministro ............................................................... 41 3.4.1 Impacto en el voltaje en rgimen permanente ..................................................... 42 3.4.2 Variaciones dinmicas de voltaje ........................................................................ 42 3.4.3 Inyeccin de reactivos ......................................................................................... 42 3.4.4 Distorsin armnica ............................................................................................. 43

3.5 Calidad de Suministro para diferentes Tipos de generadores..................................... 44 3.5.1 Calidad de suministro en aerogeneradores de velocidad fija .............................. 44 3.5.2 Calidad de suministro en aerogeneradores de velocidad variable ....................... 45

Captulo 4 Energa Solar ......................................................................................

4.1 Introduccin ................................................................................................................ 49 4.2 Conceptos Fundamentales .......................................................................................... 49

4.2.1 Generalidades ...................................................................................................... 50 4.3 Fundamentos de las celdas solares ............................................................................. 52

4.3.1 Caractersticas constructivas................................................................................ 52 4.3.2 Efecto Fotovoltaico ............................................................................................. 54 4.3.3 Potencial Fotovoltaico ......................................................................................... 55

4.4 Sistemas Solares Fotovoltaicos .................................................................................. 56


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II

4.4.1 Tipos de sistemas fotovoltaicos ........................................................................... 56 4.4.2 Sistemas solares fotovoltaicos autnomos .......................................................... 57

4.5 Dimensionamiento de Sistemas Fotovoltaicos ........................................................... 58 4.6 Aplicaciones ............................................................................................................... 5

Captulo 5 Energa Hidrulica ..............................................................................

5.1 Introduccin ................................................................................................................ 6 5.2 Historia ....................................................................................................................... 6 5.3 Desarrollo de la Energa Hidroelctrica ..................................................................... 62 5.4 Centrales hidroelctricas ............................................................................................ 63 5.5 Tipos de centrales hidroelctricas............................................................................... 64

5.5.1 Central Hidroelctrica de Pasada ......................................................................... 64 5.5.2 Central Hidroelctrica con Embalse de Reserva ................................................. 65 5.5.3 Centrales Hidroelctricas de Bombeo ................................................................. 67

5.6 Turbinas Hidrulicas................................................................................................... 67 5.7 Ventajas y desventajas ................................................................................................ 70

Captulo 6 Energa Geotrmica ............................................................................ 6.1 Introduccin ................................................................................................................ 72 6.2 Tipos de Energa Geotrmica ..................................................................................... 74 6.3 Generacin Elctrica a partir de Geotermia ............................................................... 76

6.3.1 Explotacin Convencional ................................................................................... 76 6.3.2 Plantas Tipo Flash ............................................................................................... 76 6.3.3 Tecnologa de Ciclo Binario ................................................................................ 77

6.4 Situacin Internacional ............................................................................................... 78

Captulo 7 Energa del Mar .................................................................................. 7.1 Introduccin ................................................................................................................ 82

7.2 Caractersticas Fsicas del Medio Marino .................................................................. 83 7.2.1 Temperatura ......................................................................................................... 83 7.2.2 Luz ....................................................................................................................... 83 7.2.3 Densidad .............................................................................................................. 84 7.2.4 Presin ................................................................................................................. 85 7.2.5 El Sustrato ........................................................................................................... 85

7.3 Corte de una Cuenca Ocenica ................................................................................... 85 7.4 Caractersticas qumicas del medio marino ................................................................ 87

7.4.1 Salinidad .............................................................................................................. 88 7.4.2 Distribucin de la salinidad en los mares ............................................................ 88 7.4.3 Otras sustancias disueltas .................................................................................... 89

7.4.4 Gases Disueltos ................................................................................................... 90 7.4.5 Valores del pH ..................................................................................................... 90 7.5 Movimiento de las Aguas Ocenicas.......................................................................... 90

7.5.1 Mareas ................................................................................................................. 91 7.5.2 Corrientes Marinas .............................................................................................. 92 7.5.3 Ondas y Olas ........................................................................................................ 94

7.6 Formas de Energa presente en Aguas Marinas ......................................................... 96 7.7 Sistemas de Extraccin de Energa del Ocano.......................................................... 97

7.7.1 Ondas ................................................................................................................... 97


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III

7.7.2 Olas ...................................................................................................................... 98 7.7.3 Temperatura ....................................................................................................... 100 7.7.4 Mareas ............................................................................................................... 100 7.7.5 Corrientes .......................................................................................................... 101 7.7.6 Gradientes de salinidad ...................................................................................... 102 7.7.7 Efecto osmtico por mtodos mecnicos .......................................................... 104

7.8 Sistemas de Generacin en Operacin Actual .......................................................... 105 7.8.1 Mareotrmica ..................................................................................................... 105 7.8.2 Mareomotriz ...................................................................................................... 106 7.8.3 Corrientes .......................................................................................................... 107 7.8.4 Ondas y Olas ...................................................................................................... 108

7.9 Ventajas y desventajas de la energa a partir del ocano .......................................... 114

Captulo 8 Biomasa .............................................................................................. 8.1 Introduccin .............................................................................................................. 115 8.2 Utilizacin de la Biomasa ......................................................................................... 115

8.2.1 Bosques .............................................................................................................. 115

8.2.2 Residuos agrcolas y deyecciones y camas del ganado .................................... 116 8.2.3 Cultivos energticos .......................................................................................... 116 8.3 Conversin de la biomasa en energa ....................................................................... 117

8.3.1 Mtodos termoqumicos .................................................................................... 117 8.3.2 Mtodos biolgicos ........................................................................................... 117 8.3.3 La biomasa en las fuentes de energa ................................................................ 118

8.4 Conceptos sobre la Biomasa ..................................................................................... 119 8.4.1 Biogs ................................................................................................................ 119 8.4.2 Digestor ............................................................................................................. 119 8.4.3 Combustibles Alcohlicos ................................................................................. 119 8.4.4 Compostaje ........................................................................................................ 120

8.4.5 La Biomasa y la Economa ................................................................................ 120 8.4.6 La Biomasa y el Medio Ambiente ..................................................................... 120 8.5 Ventajas y Desventajas ............................................................................................. 120

Referencias y Bibliografa .................................................................................... Anexo: Celdas de Combustible ............................................................................

8.6 Introduccin .............................................................................................................. 128 8.7 Principio de Funcionamiento de las Celdas de Combustible Tipo PEM ............. 129 8.8 Tipos de Celdas de Combustible .............................................................................. 131

8.8.1 Celda de cido Fosfrico (PAFC) .................................................................... 132 8.8.2 Celda de Carbonatos Fundidos (MCFC) ........................................................... 132 8.8.3 Celdas de Oxido Slido ..................................................................................... 133 8.8.4 Celda de Membrana de Intercambio Protnico (PEM) ..................................... 134 8.8.5 Celdas Alcalinas ................................................................................................ 135 8.8.6 Otras Celdas de Combustible ............................................................................ 135 8.8.7 Clasificacin de las Celdas de Combustible ...................................................... 135

8.9 Aplicaciones ............................................................................................................. 13 8.9.1 Generacin de Electricidad Masiva ................................................................... 136 8.9.2 Generacin de Electricidad de Pequea Escala ................................................. 141


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IV

8.9.3 Celda de Combustible en la Telefona Mvil .................................................... 145 8.9.4 Industria Automotriz.......................................................................................... 145 8.9.5 Industria Aeroespacial ....................................................................................... 149 8.9.6 Aplicaciones Varias ........................................................................................... 150

8.10 Ciclo del Hidrogeno ............................................................................................... 151 8.11 Almacenamiento del Hidrgeno ............................................................................. 152

8.11.1 Hidruros de metal ............................................................................................ 152 8.11.2 Nanotubos de carbn ....................................................................................... 153 8.11.3 Hidrogeno comprimido ................................................................................... 155 8.11.4 Almacenamiento qumico ................................................................................ 156 8.11.5 Almacenamiento liquido ................................................................................. 156 8.11.6 Esferas de vidrio .............................................................................................. 157 8.11.7 Transporte liquido ........................................................................................... 157 8.11.8 Poros atractores de hidrogeno ......................................................................... 157

8.12 Formas de Generacin Hidrogeno .......................................................................... 157 8.12.1 Generacin Tpica............................................................................................ 158 8.12.2 Generacin Biotecnolgica.............................................................................. 159

8.12.3 Fotoproduccion de hidrogeno .......................................................................... 159 8.13 Comentarios ............................................................................................................ 16


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1

Captulo 1 Introduccin

Para la Fsica, la energa es la capacidad potencial que tienen los cuerpos paraproducir trabajo o calor, y se manifiesta mediante un cambio. Es energa el esfuerzo quehace una persona cuando pedalea sobre una bicicleta. Tambin lo es el movimientocontinuo del agua de un ro, o el calor que desprende el carbn cuando se quema.

Desde siempre, el hombre ha utilizado las fuentes de energa a su alcance parahacer un trabajo o para obtener calor. Primero su propia fuerza fsica o la de los animalesdomsticos. Luego la energa del viento y del agua. Ms tarde llegara la explotacin de loscombustibles fsiles (carbn, gas natural y petrleo) y de la energa nuclear. En el futuroes probable que puedan aparecer nuevas fuentes pero, sea como fuere, la disponibilidad

de energa ha sido siempre esencial para la humanidad. Tan esencial como pueda serlo,por ejemplo, el agua potable.

De entre las distintas fuentes de energa, las renovables son aquellas que seproducen de forma continua y son inagotables a escala humana, aunque habra que decirque, para fuentes como la biomasa, esto es as siempre que se respeten los ciclosnaturales. El sol est en el origen de todas las energas renovables porque su calor provocaen la Tierra las diferencias de presin que dan origen a los vientos, fuente de la energaelica. El sol ordena el ciclo del agua, causa la evaporacin que predispone la formacinde nubes y, por tanto, las lluvias. Tambin del sol procede la energa hidrulica. Lasplantas se sirven del sol para realizar la fotosntesis, vivir y crecer. Toda esa materia

vegetal es la biomasa. Por ltimo, el sol se aprovecha directamente en las energassolares, tanto la trmica como la fotovoltaica.

Las fuentes de energa renovables que se incluyen en este apunte son la elica, lasolar, celdas de combustible, la geotrmica, las energas procedentes del mar y la debiomasa.


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En forma previa, se revisarn los conceptos ms importantes relativos a mquinasrotatorias pasando por su principio de funcionamiento y formas de operacin de lasmismas. Se estudiarn las mquinas de Corriente Continua (CC), de induccin y sincrnica.


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Captulo 2 Conceptos Bsicos de Mquinas Rotatorias

2.1 Introduccin

En este captulo, se describen en forma breve y elemental, tres tipos de mquinasrotatorias (sincrnica, de induccin y de corriente continua), cuyos principios bsicos sonesencialmente los mismos. En ellas, las tensiones se inducen debido al movimientorelativo de un campo magntico respecto a un devanado (grupos de bobinas girandodentro de un campo magntico fijo o viceversa, o bien variando la reluctancia al girar elrotor) y el torque se produce por la interaccin entre los campos magnticos del estator(parte fija de la mquina) y del rotor (parte mvil). La Figura 2.1 muestra en forma

esquemtica estos tres tipos de mquinas.


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4

Figura 2.1.- Estructuras magnticas de Mquinas Elctricas Rotatorias: a) Corriente Continua; b) Sncrona o Sincrnica; c) Asncrona o de

Induccin

2.2 Consideraciones Generales

2.2.1 Mquinas sincrnicas elementales

La Figura 2.2 muestra una mquina sincrnica elemental de dos polos (operandocomo generador de corriente alterna). En la mayora de los casos, el devanado inducido,


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est ubicado en el estator. El inductor se excita con corriente continua (C.C.) a travs decontactos o escobillas de carbn apoyadas sobre anillos rozantes. Como el inductor esde menor potencia, es ms prctico que est ubicado en el rotor.

El devanado inducido est formado por N espiras, representada en la Figura por a ya, alojadas en dos ranuras diametralmente opuestas practicadas en la parte i nterior del

estator.

Figura 2.2.- Generador sincrnico elemental de polos salientes

Los conductores que forman los laterales de esta bobina son paralelos al eje de lamquina y estn conectados en serie. El rotor gira a velocidad uniforme en virtud de unapotencia mecnica aplicada a su eje. La distribucin radial de la densidad de flujo B en elentrehierro, es funcin de la posicin del rotor. En las mquinas reales, puede conseguirseque la onda de B tenga una forma aproximadamente sinusoidal, tal como se muestra en laFigura 2.3 a), perfilando adecuadamente las expansiones polares. Al girar el rotor, la ondade flujo barre los laterales a y a de la bobina, inducindose en ella una tensin que esfuncin del tiempo y que tiene la misma forma que la distribucin espacial de B, (Figura2.3 b)

Figura 2.3.- a) Distribucin espacial de B; b) Onda de tensin inducida


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La tensin inducida pasa por un ciclo completo de valores por cada revolucin de lamquina de dos polos de la Figura 2.2.- Su frecuencia en ciclos por segundo (hertz) es iguala la velocidad del rotor en revoluciones por segundo, es decir, la frecuencia elctrica estsincronizada con la velocidad mecnica, razn por la cual, estas mquinas se denominansincrnicas. De acuerdo con esto, una mquina sincrnica de dos polos debe girar a 50 rps(revoluciones por segundo) es decir 3000 rpm (revoluciones por minuto) para generar unatensin con una frecuencia de 50 Hz.

La mayor parte de las mquinas sincrnicas tienen ms de dos polos, en cuyo casopuede considerarse nicamente un par de ellos, teniendo en cuenta que las condicioneselctricas, magnticas y mecnicas relativas a cada uno de los restantes, no son ms queuna repeticin de las existentes para el par considerado. Por este motivo resulta msconveniente expresar los ngulos como en grados o radianes elctricos, ms que comom en unidades geomtricas o mecnicas corrientes. Un par de polos o un ciclo dedistribucin de flujo en una mquina de P polos equivale a 360 elctricos o a 2 radianeselctricos, y puesto que en una revolucin completa existen P/2 ondas o ciclos, se tieneque:

m

P

2

La frecuencia angular de la tensin inducida se puede obtener derivando laexpresin (2.1) respecto al tiempo, es decir:

m

P

2

De donde la frecuencia f de la onda de tensin inducida en Hz y la velocidadmecnica n en rpm quedan relacionadas como:

602nP

f

El rotor mostrado en la Figura 2.2 es de polos salientes con los devanadosconcentrados, mientras que el de la Figura 2.4 es de polos no salientes o cilndrico, en elque el bobinado est distribuido, alojado en ranuras y dispuesto de manera que el campoes de dos polos y aproximadamente sinusoidal. El uso de uno u otro tipo de rotor dependedel tipo de aplicacin de la mquina.

(2.1)

(2.2)

(2.3)


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El rotor de polos salientes se utiliza en generadores hidroelctricos, debido a quelas velocidades de las turbinas hidrulicas son bajas y se requiere un nmero de polosrelativamente alto para conseguir la frecuencia normalmente usada en los sistemas depotencia (50 Hz). En cambio, los turboalternadores (movidos por turbinas a vapor o gas)funcionan a gran velocidad, por lo que acostumbran a tener 2 4 polos, siendo el rotorcilndrico.

Los generadores sincrnicos mostrados son monofsicos; sin embargo, la granmayora es de tipo trifsico, debido a las ventajas que este sistema tiene en la produccin,transmisin y utilizacin de grandes potencias. Para la creacin de tres tensionesdesfasadas 120 grados elctricos entre s, se necesitan por lo menos tres bobinasdesplazadas 120 elctricos, tal como se muestra en la Figura 2.5.

a) b)

Figura 2.5.- Generador trifsico elemental a) Representacin esquemtica, b) Conexin en estrella de los enrollados

Figura 2.4.- Devanado inductor elemental de dos polos sobre rotor cilndrico


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La mquina sincrnica, puede tambin utilizarse como motor sncrono, cuyavelocidad depende del nmero de polos y de la frecuencia de la corriente de alimentacin,de la misma forma que lo expuesto para el generador sncrono, es decir, segn lasexpresiones (2.2) y (2.3). Por lo tanto, un motor sncrono alimentado por corriente alternade frecuencia constante girar a velocidad constante (velocidad sincrnica).

En ambos casos, funcionando como motor o como generador, existe un torqueelectromagntico y una fuerza contraelectromotriz, siendo stos los fenmenos msimportantes en la Conversin Electromecnica de la Energa.

2.2.2 Mquinas elementales de Corriente Continua (C.C.)

El devanado inducido de un generador de C.C. dnamo est situado en el rotor,tomndose la corriente de l, a travs de escobillas de carbn. El devanado inductor esten el estator y se excita con Corriente Continua. En la Figura 2.6 a) se representaesquemticamente una dnamo muy elemental de dos polos. El bobinado inducidoconsiste en una nica bobina de N espiras, cuyos laterales a y a estn situados

paralelamente al eje y diametralmente opuestas en el rotor. Este gira a velocidaduniforme, arrastrado mecnicamente por su eje. El flujo en el entrehierro se distribuyesegn una onda aproximadamente plana como se muestra en la Figura 2.6 b), en lugar dehacerlo en forma sinusoidal como en las mquinas de corriente alterna. La rotacin de labobina induce en ella una tensin que es funcin del tiempo y cuya forma de onda essemejante a la de la distribucin espacial de la densidad de flujo.

Tiempo t c)

Figura 2.6.- a) Esquema de una dnamo elemental; b) Distribucin espacial de B; c) Onda rectificada de tensin entre escobillas

Como el objetivo de la mquina es generar una tensin continua, es necesariorectificar la alterna producida, lo que se puede hacer exteriormente, a travs derectificadores de semiconductores, por ejemplo, en cuyo caso la mquina es unalternador. En las dnamos clsicas, la rectificacin se hace mecnicamente por medio delcolector, que es un cilindro formado por segmentos de cobre, denominados delgas


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aislados entre si y montados sobre el mismo eje del rotor (aunque elctricamente aisladode l). A travs de unas escobillas fijas que se apoyan sobre la superficie del colector seconecta el devanado inducido con el circuito exterior. Esta es la razn por la cual lasmquinas de C.C. tienen el inducido en el rotor.

Para la mquina elemental de la Figura 2.6 a), la onda de tensin entre escobillas,

es la que se muestra en la Figura 2.6 c), considerando una distribucin espacial de B, talcomo la de la Figura 2.6.b).

La mquina descrita puede funcionar tambin como motor, en cuyo caso se debeaplicar una corriente continua al inducido a travs del colector. Tanto si funciona comomotor o como generador, se producir una fuerza electromotriz inducida y un torqueelectromagntico.

2.2.3 Mquinas elementales de induccin

En estas mquinas, circulan corrientes alternas tanto en el rotor como en elestator. Se utilizan habitualmente como motores, en los que la corriente alterna se aplicadirectamente al devanado del estator y por induccin (al igual que el transformador) en elrotor, producindose un cambio de frecuencia y apareciendo una potencia mecnica.Raramente se utilizan como generadores, debido a que son inadecuados para muchasaplicaciones. Se emplean tambin como cambiadores de frecuencia.

La Figura 2.7 muestra en forma esquemtica, una mquina de induccin conRotor tipo Jaula de Ardilla. El devanado del estator es semejante al de la mquinasncrona. En el rotor, el devanado est habitualmente cortocircuitado y es frecuente queno tenga terminales exteriores. La relacin entre la velocidad y el torque es tal, que alaumentar la carga en el eje, la velocidad disminuye ligeramente (deslizamiento).

Figura 2.7.- Esquema de una mquina de Induccin con rotor tipo Jaula de Ardilla


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2.3 Tensiones inducidas

El estudio de las tensiones inducidas en cualquiera de los devanados de unamquina rotatoria, se reduce a determinar la tensin inducida en las bobinas simples,sumando luego las tensiones individuales de todas las que forman el devanado completo,considerando la forma en que estn conectadas entre si. La naturaleza de las tensionesinducidas se estudi en 2.2. A continuacin se determinar su magnitud utilizando la leyde Faraday.

2.3.1 Mquinas de Corriente Alterna (C.A.)

La Figura 2.8 muestra la seccin de una mquina elemental de CA. El bobinadoinducido est formado por una bobina nica de N espiras, que abarca 180 elctricos, osea, un paso polar completo. La densidad de flujo B creada por el devanado inductor delrotor se puede suponer con una distribucin sinusoidal a lo largo de la superficie delestator. El rotor gira a la velocidad angular uniforme de rad elctricos/seg.

Cuando los polos del rotor estn alineados con el eje magntico de la bobina delestator, el flujo enlazado con sta es N , siendo , el flujo por polo en el entrehierro.Para la distribucin de B supuesta, se tiene:

cosmx B B

donde Bmx es el valor mximo de B (en el centro del polo del rotor) y es el nguloen radianes elctricos medido desde el eje magntico del rotor. El flujo , por polo en elentrehierro se puede determinar como:

mxmx lrBd lrB 2cos22

En que l es la longitud axial del rotor y r su radio en el entrehierro.

Figura 2.8.- Flujos en una mquina elemental de Corriente Alterna de 2 Polos

(2.4)

(2.5)


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En una mquina de P polos, el rea correspondiente a cada polo es 2/P veces laque tendra una mquina de dos polos de igual longitud y dimetro; luego, el flujo , es dela forma:

mxlrBP2

2

Al girar el rotor, el flujo enlazado vara con el coseno del ngulo . Si el rotor giraa la velocidad angular , = t y el flujo enlazado por la bobina del estator X es:

t N cos

donde t=0 cuando la mxima densidad de flujo coincide con el eje magntico de labobina del estator. Segn la ley de Faraday; la tensin inducida e en la bobina es:

t dt d

N t sen N dt d

t e

cos

El signo menos que aparece en esta expresin tiene relacin con las referenciasdireccionales de la Figura 2.8, es decir, que al disminuir el flujo enlazado por la bobina, seinduce en ella una tensin de signo tal que tienda a producir una corriente que se opongaa esa disminucin.

El primer trmino del segundo miembro de la ecuacin (2.8) es la tensin inducidapor el movimiento relativo entre la bobina y el campo. El segundo trmino corresponde alefecto de transformador, que existir nicamente si hay variacin del flujo , respecto altiempo, lo que en la mayor parte de las mquinas rotatorias no ocurre. Por ello, se tienesimplemente que:

t sen E t sen N t e mx

fN N E mx 2

fN E

E mxef 44,42

Estas ecuaciones son idnticas a las obtenidas en los transformadores. Es decir, elmovimiento relativo entre la bobina y una onda de distribucin espacial de densidad deflujo de amplitud constante en una mquina rotatoria, produce los mismos efectos, encuanto a tensiones se refiere, que la variacin de flujo y bobinas fijas de un

transformador.La tensin inducida es monofsica. Para obtener un sistema trifsico de tensiones,

se requiere tres bobinas desplazadas 120 elctricos entre si, tal como se indic en laFigura 2.5. En este caso, la ecuacin (2.11) da la tensin efectiva por fase si N es el nmerototal de espiras en serie por cada fase.

Todos estos devanados elementales son concentrados y abarcan un paso polar, yaque los dos lados de cualquier bobina estn separados 180 elctricos y todas sus espirasestn concentradas en un par de ranuras. En la prctica, las bobinas del inducido

(2.6)

(2.7)

(2.8)

(2.9)

(2.10)

(2.11)


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correspondiente a cada fase se distribuyen en un cierto nmero de ranuras, con el fin deaprovechar mejor el material del ncleo y de los conductores y adems mejorar la formade onda. En ese caso, las tensiones inducidas en cada una de las bobinas que forman ungrupo de fase, quedan algo desfasadas entre s, por lo que al conectarlas en serie, su sumavectorial es menor que la suma aritmtica, siendo necesario introducir un factor dereduccin Kw, el que en general, para bobinados trifsicos, se acota entre 0,85 y 0,95. As entonces, para devanados distribuidos, de N f espiras en serie por fase, la expresin (2.11)queda:

f ef N fK E 44,4

2.3.2 Mquinas de Corriente Continua (C.C.)

Con el colector elemental de la Figura 2.6 a), se produce una rectificacin mecnicade onda completa. Suponiendo siempre una distribucin sinusoidal del flujo, la onda detensin entre escobillas tiene la forma indicada en la Figura 2.9. La tensin media(continua) entre escobillas Ea es:

N t td sen N E a

210

60

2 nPN E a

Para una mquina de P polos y expresando la tensin en funcin de la velocidadmecnica m se tiene, segn (2.2)

ma PN E

Si la velocidad mecnica se expresa en rpm se tiene:

Figura 2.9.- Tensin entre escobillas de una mquina de C.C. elemental

A pesar de que la bobina nica aqu supuesta no es lo que se tiene en la realidad,las ecuaciones (2.14) y (2.15) son vlidas para la mayor parte de los devanados de C.C.,siempre que N corresponda al nmero total de espiras en serie comprendida entre losterminales del inducido.

(2.13)

(2.14)

(2.15)


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Normalmente, la tensin se expresa en funcin del nmero total de conductoresactivos Z y del n mero a de circuitos en paralelo del devana do. De esta forma, elnmero total de espiras en serie N es:

a Z

N 2

Por lo tanto,

aPZn

aPZ

a Z

E ma 602

2.4 Fuerzas magnetomotrices de los devanados distribuidos

2.4.1 Devanado de paso completo

La mayor parte de los inducidos tienen el devanado distribuido; es decir, repartidosobre un determinado nmero de ranuras alrededor de la periferia del entrehierro. Lasbobinas individuales se conectan entre s de forma que el campo magntico resultantetenga el mismo nmero de polos que el devanado inductor.

De la misma forma que se hizo para el estudio de las tensiones inducidas, loscampos magnticos de los devanados distribuidos pueden estudiarse por aproximacin,analizando el campo producido por una bobina nica de N espiras tal como se muestra enla Figura 2.10. Como la permeabilidad del ncleo del inducido y del inductor es muy

Figura 2.10.- Determinacin de la fmm de una bobina concentrada de paso diametral

(2.16)

(2.17)


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14

superior a la del aire, se puede suponer que la energa almacenada se encuentraconfinada slo en los entrehierros (H Fe=0). Por otra parte, se pueden despreciar los flujosde dispersin y considerar adems, que el rotor y el estator tienen superficies lisas, esdecir, no tomar en cuenta el efecto de las ranuras. Para entender mejor como determinarla fuerza magnetomotriz (fmm) a partir de las leyes de campos y de las condiciones desimetra, consideremos la Figura 2.10.

Aplicando ley circuital de Ampere en la trayectoria cerrada C1 se tiene:

Nig H g H 21

Por condiciones de simetra, H1=-H2, donde:

H H 1 y H H 2

Resolviendo estas ecuaciones se obtiene:

2

Nig H F para

22

Considerando la trayectoria C2, el resultado es:

2

Nig H F para

22

Desarrollando en forma rectilnea (2.20) y (2.21) se obtiene la onda de distribucinde fmm mostrada en la Figura 2.11.

Figura 2.11.- Distribucin de fmm en una bobina concentrada de paso diametral

(2.18)

(2.19)

(2.20)

(2.21)


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15

En cuanto a la distribucin de la induccin magntica B(), dado que el entrehierroes uniforme y su permeabilidad es 0, tiene la misma forma de F(), es decir:

g Ni

F g

B200

para

22

g NiF

g B

200 para

23

2

Consideremos ahora, una mquina con cuatro bobinas de paso completo(diametral), tal como se muestra en la Figura 2.12.

Fig. 2.12.- Cuatro bobinas concentradas de paso completo

Al aplicar la ley circuital de ampere, se deben considerar 8 trayectorias distintas, yaque la separacin entre bobinas es de /4 radianes, lo que hace bastante engorroso elproceso. Sin embargo, como se ha supuesto que el sistema es lineal, puede calcularseseparadamente al aporte de cada bobina, sumando los resultados. De todas formas, alaumentar el nmero de bobinas, el proceso de clculo por cualquiera de los dos mtodoses largo y complejo.

Como se aprecia en la Figura 2.12; el eje magntico de la bobina 2 est desplazadoen /4 radianes, respecto al de la bobina 1, por lo que segn (2.20) y (2.21) podemosescribir, la fmm de la bobina 2 como:

22

NiF para

4

3

4

22

NiF para

4

7

4

3

(2.22)

(2.23)


21/166

16

Para la bobina 3, el eje queda desplazado en /2 radianes, luego:

23

NiF para 0

23

NiF para 2

Para la bobina 4, el eje queda desplazado en 3 /4 radianes y por lo tanto:

23

NiF para

4

5

4

23

NiF para

44

5

Los desarrollos rectilneos para cada bobina, as como la suma, se muestran en la

Figura 2.13. A partir de estos resultados podemos concluir que la fmm total tiene un valormximo Fmx dado por:

24

NiF mx

Es decir, siendo n el nmero de bobinas podramos escribir en forma general:

2 Ni

nF mx

El mtodo presentado es una forma grfica de obtencin de la fmm resultante y sepuede esperar que a medida que el nmero de bobinas aumenta, la onda de fmm seasemeje a una onda triangular. Es importante sealar que al proyectar mquinas decorriente alterna, se trata en lo posible que el devanado se distribuya en forma tal, que lafmm resultante se aproxime a una onda senoidal.

La onda rectangular de fmm mostrada en la Figura 2.11, puede descomponerse porel mtodo de Fourier en una componente fundamental y una serie de armnicos, de laforma general:

1

2

1 cos2

41

k

k

k k Ni

F

para todo k impar

La fundamental, es decir para k=1, es:

cos2

41

NiF

(2.25)

(2.26)

(2.27)

(2.28)

(2.29)

(2.24)


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17

Cuyo valor mximo se tiene cuando =0, es decir, en el eje magntico de la bobina.

cos2

411 d R nK

NiF

Como el devanado se distribuye en varias ranuras, la fmm total (resultante) debeser menor que la suma de los componentes de cada una de las bobinas individuales, yaque los ejes magnticos de ellas no coinciden. As entonces, la fundamental de la fmmresultante F 1R(), considerando n bobinas, queda:

Si por ejemplo: coscos9,0cos2 11 t NnIK F t I i d R Donde Kd1 es el coeficiente de distribucin para la fundamental y vale:

2

21

nsen

nsen

K d

En que es el ngulo elctrico de desplazamiento entre las bobinas, cuyo valor, eneste caso es:

rad n

2.4.2 Devanado de paso fraccionario

Consideremos la Figura 2.14, que muestra una bobina cuyos lados estn a menosde 180.

(2.30)

(2.31)

(2.32)

(2.33)


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18

Figura 2.14.- Bobina de paso fraccionario

Aplicando la ley circuital de Ampere en C, se tiene:

C Nil H l H Nild H 2211

Pero, en la Figura 2.14 se observa que:

r H r H H 001 r H r H H 2 r gr ll 01 r gr ll )(2

Por lo tanto, en (2.34) se tiene:

Nig H g H 0

o bien:

NiF F 0

Evaluando para distintos valore s de , se obtiene:

0F F para22

(2.34)

(2.35)

(2.36)

(2.37)

(2.38)


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19

NiF F 0 para2

22

Para determinar F(0), usaremos la ley de conservacin de flujo en el rotor, de largol.

SdAn B 0

donde:

Rld dA

r n

r B B

0 22

2

2

2

Rld B Rld BdAn BS

pero en el entrehierro, gF B / )()( 0 y por lo tanto a partir de (2.41) seobtiene F(0) y de esta forma, F() queda:

2

2NiF para

22

2 NiF para

22

2

(2.39)

(2.40)

(2.41)

(2.42)


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20

Fig. 2.15.- Distribucin de fmm para una bobina de paso fraccionario

La Figura 2.15 muestra la distribucin de fmm, que como se aprecia es asimtrica.Al desarrollarla en serie de Fourier se obtiene:

1

cos2

4

k

pk k k

K NiF

donde el Factor de Paso K pk para el k-simo (k=1,2,3,.....) armnico es:

2 k

senK pk

La importancia del Factor de Paso est en que a travs de l, es posible eliminar oreducir la amplitud de algn armnico y sus mltiplos. En efecto, si Kpk=0 se tiene que:

k mk

sen

2

02

con m = 1,2,3,..

Se utiliza bastante el concepto de paso fraccionario, que corresponde a la raznentre el paso de bobina y (/). De acuerdo con esto, si se quiere eliminar, porejemplo, el quinto armnico, el paso fraccionario debe ser:

52 m

Con m=1 se tiene que /= 2/5 y con m=2; /= 4/5. En este caso, se toma lafraccin ms cercana a la unidad, por lo tanto el paso fraccionario ser de 0,8; es decir, elpaso de bobina es de 144.

Si se quiere eliminar el sptimo armnico, /=6/7 (m=3). En la prctica, se usa unpaso intermedio que permita disminuir ambos armnicos. Este paso es 5/6.

(2.43)

(2.44)

(2.45)

(2.46)


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27/166

22

Fig. 2.17.- Distribucin de fmm de dos bobinas de paso fraccionario

La Figura 2.17, corresponde a la distribucin de la fuerza magnetomotriz que,como se puede apreciar, es simtrica, en cuyo caso el desarrollo en serie de Fourier nocontiene armnicos pares. Por lo tanto, para n bobinas de paso fraccionario, la fmm

resultante se puede escribir:

1

cos2

4

k dk pk k

k K K n

NiF

Donde el Factor de Paso Kpk fue definido en (2.44) y el Factor de Distribucin parael k-simo armnico Kdk es:

2

2

k nsen

nk sen

K dk

Por otra parte se puede definir ahora el Factor de Devanado K wk, para el k-simoarmnico como el producto entre el Factor de Distribucin y el Factor de Paso, es decir:

pk dk wk K K K

(2.48)

(2.49)

(2.50)


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23

2.5 Torque en mquinas de polos no salientes

El funcionamiento de cualquier dispositivo electromagntico, como componentede un sistema electromecnico, puede definirse en funcin de las ecuaciones de tensin(Ley de Kirchhoff) y su torque electromagntico. Deduciremos aqu, las ecuaciones de

tensiones y torque considerando una mquina elemental; sin embargo, los resultadospueden aplicarse luego, a mquinas ms complejas. Para la deduccin, se puede partir dedos puntos de vista distintos, a saber, el punto de vista de circuitos magnticos acoplados,o bien haciendo el estudio directamente del campo magntico. Se puede demostrar quebsicamente, ambos conducen a resultados semejantes. En este curso obtendremos eltorque, considerando solamente el punto de vista de circuitos magnticos acoplados.

Consideremos la mquina elemental de la Figura 2.18, con un devanado en elestator (s) y otro en el rotor (r), distribuidos en un cierto nmero de ranuras de forma quela onda de distribucin de fmm espacial sea aproximadamente senoidal. En la Figura 2.18a), los lados de bobina s, s y r, r; sealan la posicin central de la zona abarcada por los

conductores distribuidos, pudindose representar tambin stos, en la forma mostrada enla Figura 2.18 b), donde se ha indicado adems, la direccin de las tensiones y corrientes(flujos).

Figura 2.18.- Mquina elemental de dos polos con entrehierro uniforme. a) Distribucin de los devanados, b) representacinesquemtica

Con las mismas consideraciones hechas en 2.4.1, podemos decir que lasautoinductancias del estator L ss y del rotor Lrr son constantes, pero la inductancia mutuaestator-rotor L sr depende del ngulo , de manera que tiene un mximo positivo cuando = 0 2; se anula para = /2 y tiene un mximo negativo cuando = . Si las ondas dedistribucin de fmm son senoidales y el entrehierro es uniforme se tendr que:

En que Lsr es el valor mximo (constante) de Lsr(), el que se obtiene cuandocoinciden los ejes magnticos del estator y rotor.

cossr sr L L (2.51)


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24

Por otra parte, los flujos enlazados por el estator s y rotor r son, respectivamente:

r rr ssr r

r sr ssss

I L I L

i Li L

o bien, en forma matricial:

r

s

rr sr

sr ss

r

s

i

i

L L

L L

Las tensiones en los terminales, considerando que los devanados tienenresistencias Rs y Rr para el estator y rotor respectivamente son:

dt

d i Rv

dt

d i Rv

r r r r

ssss

es decir:

dt d

seni Ldt

di L

dt

di Li Rv

dt d

seni Ldt

di L

dt

di Li Rv

ssr s

sr r

rr r r r

r sr r

sr s

sssss

cos

cos

en que d/ dt es la velocidad instantnea en radianes elctricos por segundo. Lossegundos y terceros trminos del segundo miembro de (2.55) son tensiones inducidassemejantes a las que se obtienen en circuitos estticos acoplados, tales como losdevanados de transformadores. Los cuartos trminos se deben al movimiento mecnico yrelacionan el intercambio de potencia entre los sistemas elctrico y mecnico.

El torque electromagntico puede evaluarse a partir de la coenerga del campomagntico en el entrehierro, en que sta vale:

cos21

21

,, 22' r ssr r rr sssr sm ii Li L I LiiW

Luego, el torque elctrico Te es de la forma:

m

r sm

m

mr sme

d d

d iiW

d iiW

T

,,,, ''

(2.52)

(2.53)

(2.54)

(2.55)

(2.56)

(2.57)


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25

Las derivadas se deben hacer respecto al ngulo mecnico m, debido a que se estoperando variables mecnicas. Aplicando (2.57) a (2.56) y considerando (2.1) se obtienefinalmente:

mr ssr e P

senii LP

T 22

El torque queda expresado en newton-metro y el signo negativo indica que actaen un sentido tal, que tiende a alinear los campos magnticos de estator y rotor.

Las ecuaciones (2.55) y (2.58) constituyen un conjunto de tres ecuacionesdiferenciales que relacionan entre si las variables elctricas v s, is, vr, ir y las variables

mecnicas Te

y . Estas ecuaciones, junto con las limitaciones impuestas a las variableselctricas por la red exterior conectada a sus terminales (alimentacin o carga eimpedancias exteriores) a las variables mecnicas (torques aplicados, inercias, roces,etc.) determinan el comportamiento del dispositivo.

En el caso en que la mquina tenga varios devanados tanto en el rotor como en elestator, se pueden aplicar los mismos principios generales del modelo elemental de laFigura 2.18. Cada devanado tiene su propia autoinduccin y su induccin mutua con losrestantes. Las inductancias propias y mutuas entre devanados situados en el mismo ladodel entrehierro sern constantes bajo las suposiciones hechas. Pero entre devanadossituados a uno y otro lado del entrehierro, la inductancia mutua vara con el coseno delngulo formado por sus respectivos ejes. El torque se puede expresar como suma detrminos semejantes a la ecuacin (2.58).

En las mquinas de entrehierro no uniforme (de polos salientes), tambin esposible aplicar estos mismos principios para la determinacin del torque. Sin embargo, eneste caso, las inductancias propias del estator del rotor de ambos, dependern de laposicin del rotor; es decir, tambin sern funciones del ngulo formado por susrespectivos ejes.

(2.58)


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Captulo 3 Energa Elica

3.1 Introduccin

La produccin de energa elctrica mediante el uso de generadores elicos, se basaen el mismo principio que los molinos de viento: aprovechar la energa el viento parahacer girar una turbina, la cual est convenientemente acoplada a un generador elctrico.Existen diversas turbinas con diseos y tamaos adecuados para diferentes perfiles deviento, a modo de ejemplo se pueden nombrar los aerogeneradores con velocidad fija,velocidad variable, modelos bi-pala, tri-pala, etc.

Una planta de generacin elica se compone de un conjunto de turbinas ogeneradores elicos debidamente controlados, con el fin de obtener un efecto aditivosobre las potencias que genera cada turbina individualmente. En este aspecto el sistemade control posee una componente de control individual para cada turbina y unacomponente de control supervisor del parque elico en su conjunto (que coordina y dacursos de accin sobre los controles individuales).

Actualmente existen granjas elicas operando en forma independiente oconectadas a la red elctrica. Algunos datos tcnicos que motivan la investigacin degeneracin elctrica a partir de la energa elica se resumen a continuacin:

Si bien la generacin elica era prcticamente nula en la dcada del 80, ha existidoun crecimiento importante en el ltimo tiempo: en 1986 se generaron ms de10TWh y en la actualidad (2004) se han superado los 20TWh de generacin enparques elicos. Este crecimiento hace prever que en un par de dcadas, el 12% dela produccin mundial de electricidad tendr su origen a partir de los recursoselicos. En el caso de Europa se espera que este porcentaje llegue al 20%.


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Desde el punto de vista de integracin al sistema, se estima que no existenobstculos sustanciales para que la energa elica alcance porcentajes depenetracin de mercado del 20%. Para quienes apoyan este tipo de tecnologas,esta cifra es incluso conservadora, al respecto la experiencia prctica obtenida enla zona occidental de Dinamarca muestra que es posible alcanzar niveles punta dehasta el 50% durante perodos de mucho viento.

Alemania, Espaa, Dinamarca y Estados Unidos lideran la produccin elica, sinembargo otros pases no desarrollados como China, India o Marruecos tambinhan incorporado esta forma de generacin. Por ejemplo, China tiene 10.000microturbinas, que si bien producen poca electricidad en trminos absolutos,cubren en forma completa importantes servicios.

En trminos tcnicos, la confiabilidad de los sistemas elicos ha cambiadosustancialmente de un 60% en 1980 a un 97-99% de las turbinas estn disponibles

en la actualidad. Adicionalmente, los avances tecnolgicos han permitido optimizarel tamao de las turbinas, con lo cual las exigencias de terreno han dejado de seruna restriccin para este tipo de centrales. En la actualidad las plantas elicas noconsumen ms terreno que una central de carbn, incluyendo la mina. En algunascentrales europeas los granjeros cultivan el suelo hasta la base de las torres, einclusive pastorean en las calles de servicio.

3.1.1 Desarrollo histrico de la generacin elica.

Durante el invierno de 1887-88 Charles F. Brush construy la que hoy se cree es la

primera turbina elica, que operaba a travs un dnamo para generacin de electricidad.La turbina, situada en Cleveland, Ohio, posea un dimetro de rotor de 17 metros y 144aspas fabricadas en madera de cedro, pese a su tamao, el generador era solamente unmodelo de 12 [kW] (ver figura 3.1). Esto se debe al hecho de que las turbinas elicas degiro lento del tipo americano no tienen una eficiencia media particularmente alta.


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Fotografa 3.1: Generador de Brush

Posterior a Charles Brush, fue el dans Poul la Cour quin continu con lainvestigacin de las turbinas elicas. Su trabajo fue particularmente relevante en laexperimentacin de las caractersticas aerodinmicas mediante tneles de viento. Fue lquin fund la "Society of wind electricians" en 1905 y quin descubri que las turbinaselicas de giro rpido con pocas palas de rotor son ms eficientes para la produccin deelectricidad que aqullas de giro lento.

El desarrollo de la industria elica se mantuvo sin muchos cambios hasta 1940cuando F.L Smidth experiment con modelos de aerogeneradores bi-pala y tri-pala.Posteriormente Johannes Juul (alumno de Poul la Court) fue quin inici el desarrollo delos primeros aerogeneradores a travs de generadores elctricos de corriente alterna.

El 1980, la industria elica produca modelos comerciales de hasta 55 [kW], en laactualidad los modelos comerciales llegan hasta los 2.5 [MW]. Innovaciones tanto en losmateriales de las turbinas, geometras aerodinmicas, sistemas de control aerodinmicos

y electrnicos han hecho posible el desarrollo de la generacin elica en forma cada vezms eficientes y con un costo de kilowatt-hora muy cercano a niveles competitivos decentrales de generacin tradicionales.


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Fotografa 3.2: Parque elico de Nysted, Dinamarca

3.1.2 Desarrollo en Chile

En el caso de Chile, la experiencia de generacin elica fue impulsada hace pocosaos por la empresa de electricidad SAESA a travs de la central elica Alto Baguales. Estacentral entr en operacin en noviembre del 2001 y se encuentra situadaaproximadamente a 5 Km. de Coyhaique.

La central cuenta con una capacidad instalada de aproximadamente 1980 [MW]distribuida en tres turbinas elicas idnticas modelo V47 de la empresa VESTAS de

660[KW] cada una, que representan aproximadamente el 10% de la capacidad totalinstalada en el Sistema de Aysn.

Las turbinas del parque tienen a una altura de 40 metros sobre el nivel del suelo yun dimetro del rotor que alcanza los 47 metros (tres aspas), poseen generadoresasncronos de velocidad variable y estn diseadas para operar directamente conectadashacia la red con frecuencia de 50 [Hz]. Puesto que las turbinas generan a un nivel detensin de 690 [V] deben conectarse al sistema a travs de un transformador elevador detensin de 690/33000 [V].

Cada unidad posee sistemas de control de potencia de tipo aerodinmico yelctrico, cuenta con un sistema aerodinmico tipo pitch que le permite orientar las aspaspara un mejor aprovechamiento de los vientos. Adicionalmente, los aerogeneradorescuentan con un sistema de control OptiSlip, que bsicamente consiste en controlar eldeslizamiento del generador en un rango del 1% al 10% variando el valor de la resistenciarotrica. De este modo se puede tener una velocidad de giro variable entre las 1515[RPM] y las 1650 [RPM].

Para el correcto control de reactivos, cada unidad cuenta con un banco decondensadores de cuatro pasos inteligentemente conmutados, lo cual permite operar las


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turbinas con factor de potencia prcticamente unitario (0.98 inductivo). Loscondensadores son conectados poco despus de la conexin de la turbina ydesconectados poco antes que ellas, esto es debido a que la conexin y desconexin delos aerogeneradores se lleva a cabo mediante partidores suaves en base a tiristores queevitan las sobrecorrientes de entrada y consecuentemente las perturbaciones sobre lared.

La experiencia en estos 15 meses de operacin indica que no han existidoperturbaciones significativas del sistema con la operacin del parque elico. Laproduccin de energa anual del parque (considerando las tres unidades) ha alcanzado los6.5 [GWh] durante el ao 2002.

De acuerdo con la informacin presentada es posible observar que la experienciade la incorporacin de tecnologas de generacin elica en el Sistema de Aysn ha sidoexitosa. Lo que esto sienta un precedente favorable para el desarrollo de futurosproyectos elicos en nuestro pas.

OJO. Hablar del Canelo

3.2 Caracterizacin del recurso elico

3.2.1 Condiciones del emplazamiento

Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del vientoen un par (fuerza de giro) actuando sobre las aspas del rotor de los aerogeneradores. Lacantidad de energa transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire y dela velocidad del viento, ambos factores se encuentran fuertemente condicionados por elemplazamiento elegido para el parque elico, en lo que se refiere a la altura y rugosidaddel terreno, temperaturas y humedad registradas y presencia de obstculos o efectosaceleradores que son propios de la geografa.

Densidad del aire: un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso).As, la energa cintica del viento depende en una relacin directamenteproporcional de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen.A presin atmosfrica normal y a 15 [C] la densidad del aire es 1,225 [Kg/m3]

(medida de referencia estndar para la industria elica). Esta densidad aumentaligeramente con el aumento de humedad y disminuye con el aumento de latemperatura. A grandes altitudes (en las montaas) la presin del aire es ms bajay el aire es menos denso.

Rugosidad: En general, cuanto ms pronunciada sea la rugosidad del terrenomayor ser la ralentizacin que experimente el viento. Se caracteriza mediante dosparmetros, los cuales estn relacionados entre si: Clase de Rugosidad y Longitud


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de Rugosidad. La Clase de Rugosidad es una escala cualitativa de las condicionesdel terreno, donde 0 corresponde al caso ideal y 4 al terreno con mximaoposicin al viento. Por su parte, la Longitud de Rugosidad, medida en metros,cuantifica la significancia de los obstculos. As, los bosques y las grandes ciudades(clase de rugosidad 3 a 4) ralentizan mucho el viento, mientras que las superficiesde agua tienen una influencia mnima sobre el viento (clase de rugosidad cercana a0). Dependiendo del tipo de rugosidad se condiciona la variacin de la velocidaddel viento con la altura (cizallamiento) de acuerdo con la frmula:

(3.1)

Donde:

Z es la altura donde estar situado el rotor de la turbina.u(z) es la velocidad del viento a la altura Z.

ZR es altura de referencia donde est situado el sensor.

R0: rugosidad del terreno.

Influencia de los obstculos: En reas cuya superficie es muy accidentada seproducen turbulencias (flujos de aire, rfagas, remolinos y vrtices) que cambiantanto en velocidad como en direccin del viento. Las turbulencias disminuyen la

posibilidad de utilizar la energa del viento de forma efectiva en un aerogenerador,as como tambin provocan mayores roturas y desgastes en la turbina elica.Adicionalmente, cuando el obstculo se sita a menos de un kilmetro de unaturbina, se produce un efecto de frenado del viento que aumenta con la altura y lalongitud del obstculo, este efecto es ms pronunciado cerca del obstculo y cercadel suelo.

Efectos aceleradores: La influencia del contorno del terreno, tambin llamadoorografa del rea, incide en la calidad de los vientos. Por ejemplo, si se elige unemplazamiento en un paso estrecho o entre montaas, el aire tiende a

comprimirse en la parte alta de la montaa que est expuesta al vientoproducindose un efecto acelerador conocido como "efecto tnel". En general,situar un aerogenerador en un tnel de este tipo es una forma de obtenervelocidades del viento superiores a las de las reas colindantes. Sin embargo, eltnel debe estar suavemente enclavado en el paisaje para que no existanturbulencias que anulen su efecto. Por otro lado, el viento atravesando las cimasde las montaas aumenta su velocidad y densidad, en tanto que cuando soplafuera de ellas se vuelve menos denso y veloz, este fenmeno se denomina efecto


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La figura muestra que las variaciones instantneas oscilan en torno al 10% del valorpromedio. En general, las variaciones de corto plazo, es decir aquellas fluctuaciones msrpidas, sern compensadas por la inercia del rotor de la turbina elica.

Variaciones diurnas (noche y da) del viento

En la mayora de las localizaciones del planeta el viento sopla ms fuerte durante elda que durante la noche, esta variacin se debe principalmente a las diferencias detemperatura, las cuales son mayores durante el da (presencia del sol). Adicionalmente, elviento presenta tambin ms turbulencias y tiende a cambiar de direccin msrpidamente durante el da que durante la noche.

El grfico siguiente muestra el efecto de la variabilidad del viento diurna paraestudios realizados en Dinamarca (Beldringe), el eje de las abscisas representa el TiempoUniversal Coordinado (UTC).

Figura 3.4: Variabilidad de la velocidad del viento diurna (Beldringe, Dinamarca)

Variaciones Estacionales del Viento

El viento tambin sufre variaciones dependiendo de las estaciones del ao, enzonas templadas los vientos de verano son generalmente ms dbiles que los de invierno.El siguiente grfico ilustra el efecto de la variabilidad del viento estacional para estudiosrealizados en Dinamarca (el eje de las ordenadas corresponde al ndice de energa elica,parmetro proporcional a la velocidad del viento).

Figura 3.5: Variabilidad de la velocidad del viento estacional


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Variaciones anuales en la energa elica

Las condiciones elicas pueden variar de un ao al siguiente, tpicamente, estoscambios son menores. Estudios realizados en Dinamarca muestran que la produccin delos aerogeneradores tiene una variacin tpica de alrededor de un 9% a un 10%.

Figura 3.6: Variaciones anuales de la velocidad del viento

3.2.3 Potencia extrable del viento

Describir la variacin de las velocidades del viento resulta muy importante tantodesde el punto de vista de los proyectistas de turbinas (optimizacin del diseo deaerogeneradores y minimizacin de los costos de generacin), como para losinversionistas que necesitan esta informacin para estimar los ingresos por produccin deelectricidad.

Distribucin de Weibull

En forma emprica se ha comprobado que en la mayora de las localizaciones delmundo, si se miden las velocidades del viento a lo largo de un ao, en la mayora de lasreas los fuertes vendavales son raros, mientras que los vientos frescos y moderados sonbastante comunes. En general el comportamiento de los vientos se modela a travs deuna distribucin de probabilidades llamada Distribucin de Weibull, segn se muestra enel siguiente grfico:


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Figura 3.7: Distribucin de Weibull

Curvas de potencia de e ntrada, disponible y generada

A partir de la distribucin de Weibull, es posible calcular la potencia de entrada deun aerogenerador, para ello se toma la distribucin de los vientos y se calcula el valor dela potencia (funcin cbica de la velocidad del viento) para intervalos definidos develocidad (cada 0.1 m/s por ejemplo) de acuerdo con la frmula:

(3.2)

Donde:

p es la potencia factible de ser extrada del viento. es la densidad del aire.v es la velocidad del viento.

r es el radio del rotor.

Los resultados obtenidos son ponderados por las frecuencias con las que seproduce cada uno de los intervalos de viento, generndose una nueva curva (similar a ladistribucin de Weibull) denominada Curva de Potencia de Entrada, es decir, representala potencia de entrada del aerogenerador. Esta curva normalmente se encuentranormalizada por el barrido del rotor 1, obtenindose una densidad de potencia elica pormetro cuadrado.

Una vez generada la curva anterior, para calcular la potencia disponible (til) de laturbina, debe considerarse que existe un lmite mximo equivalente al 59% (Ley de Betz),para que el aerogenerador convierta la potencia de entrada en potencia elctrica. Estelmite considera una turbina ideal, de modo que para obtenerse la potencia neta generadapor un aerogenerador re al, debe tomarse la Curva de Potencia del Aerogenerador

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p v r


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(entregada por el fabricante) y multiplicarla por la probabilidad de ocurrencia de lasdistintas velocidades de viento segn la distribucin de Weibull (ver grfico).

Figura 3.8: Potencia de entrada, disponible y de salida de un aerogenerador

Cabe notar que la relevancia de estos clculos radica en poder calcular los valoresde potencia promedio que pueden ser obtenidos de aerogeneradores situados enemplazamientos especficos. En general, el valor de la potencia promedio obtenida con lascurvas de potencia difiere del valor que se obtiene al calcular la potencia como funcincbica de la velocidad promedio del viento (error de calculo bastante frecuente y quepuede conllevar a errores serios de dimensionamiento).

Curva de potencia de un aerogenerador

La Curva de Potencia de un aerogenerador es la relacin de potencia que escapaz de generar una turbina bajo distintas condiciones de viento, se compone de untramo inicial desde velocidades de viento hasta la velocidad de cut-in donde la generacines nula (de hecho si se conecta el aerogenerador acta como motor), seguido de un tramocasi lineal de pendiente positiva que deriva en un tramo de potencia constante para unrango determinado de velocidades (en el grfico entre los 15[m/s] y los 25 [m/s]).Finalmente para velocidades de viento superiores al lmite de cut-out, la turbina sedesconecta y la generacin de potencia vuelve a ser nula.


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Figura 3.9: Curva de potencia de un aerogenerador

3.3 Control de una central elica

Los aspectos ms relevantes de control para una planta de generacin elica tienerelacin con dos aspectos fundamentales: Control sobre la operacin de losaerogeneradores y Control de la potencia elctrica inyectada a la red

3.3.1 Control sobre la operacin de los aerogeneradores

A continuacin se presentan los mecanismos de control ms utilizadosactualmente:

Mecanismo de orientacin (yaw control):

El mecanismo de orientacin de un aerogenerador es utilizado para girar el rotorde la turbina en contra del viento de modo de evitar un error de orientacin.

Se dice que la turbina elica tiene un error de orientacin si el rotor no estperpendicular al viento, por lo cual una menor proporcin de la energa del viento pasar

a travs del rea del rotor. A simple vista, esto parece ser una excelente forma decontrolar la potencia de entrada al rotor del aerogenerador, sin embargo, la parte delrotor ms prxima a la direccin de la fuente de viento estar sometida a un mayoresfuerzo (par flector) que el resto del rotor. Por tanto, las turbinas elicas que estnfuncionando con un error de orientacin estarn sujetas a mayores cargas de fatiga quelas orientadas en una direccin perpendicular al viento.

Casi todos los aerogeneradores de eje horizontal emplean orientacin forzada, esdecir, utilizan un mecanismo que mantiene la turbina orientada en contra del viento


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mediante motores elctricos y multiplicadores. El mecanismo de orientacin se activa porun controlador electrnico que vigila la posicin de la veleta de la turbina varias veces porsegundo, cuando la turbina est girando.

Adicionalmente, los aerogeneradores cuentan con un contador de la torsin de loscables. Esto debido a que los cables que llevan la corriente desde el generador de la

turbina elica hacia abajo a lo largo de la torre estarn cada vez ms torsionados si laturbina, por accidente, se sigue orientando en el mismo sentido durante un largo periodode tiempo. As pues, el contador de la torsin en los cables que avisar al controlador decuando es necesario destorsionar los cables.

Como en todos los equipos de seguridad en la turbina, este sistema es redundante.En este caso, la turbina est equipada tambin con un interruptor de cordn que se activacuando los cables se torsionan demasiado.

Fotografa 3.10: Mecanismo de orientacin de un aerogenerador

Regulacin por cambio del ngulo de paso ("pitch controlled")

En un aerogenerador de regulacin por cambio del ngulo de paso, el controladorelectrnico de la turbina comprueba varias veces por segundo la potencia generada.Cuando sta alcanza un valor demasiado alto, el controlador enva una orden almecanismo de cambio del ngulo de paso, que inmediatamente hace girar las palas delrotor fuera del viento. A la inversa, las palas son vueltas hacia el viento cuando stedisminuye de nuevo.

El diseo de aerogeneradores controlados por cambio del ngulo de paso requiereuna ingeniera muy desarrollada, para asegurar que las palas giren exactamente el ngulodeseado. En este tipo de aerogeneradores, el sistema de control generalmente girar laspalas unos pocos grados cada vez que el viento cambie, para mantener un ngulo ptimoque proporcione el mximo rendimiento a todas las velocidades de viento.

El mecanismo de cambio del ngulo de paso suele funcionar de forma hidrulica ylos ngulos tpicos de operacin se encuentran entre los 0 y los 35.


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Regulacin por p rdida aerodinmica ("stall controlled (passive)")

Los aerogeneradores de regulacin (pasiva) por prdida aerodinmica tienen laspalas del rotor unidas al buje en un ngulo fijo. Sin embargo, el perfil de la pala ha sidoaerodinmicamente diseado para asegurar que, en el momento en que la velocidad del

viento sea demasiado alta, se crear turbulencia en la parte de la pala que no da al viento.Esta prdida de sustentacin evita que la fuerza ascensional de la pala acte sobre elrotor.

La geometra de diseo hace que pala est ligeramente torsionada a lo largo de sueje longitudinal, esto es as en parte para asegurar que la pala pierde la sustentacin deforma gradual, en lugar de hacerlo bruscamente, cuando la velocidad del viento alcanza suvalor crtico.

La principal ventaja de la regulacin por prdida aerodinmica es que se evitan laspartes mviles del rotor y un complejo sistema de control. Por otro lado, la regulacin porprdida aerodinmica representa un problema de diseo aerodinmico muy complejo, y

comporta retos en el diseo de la dinmica estructural de toda la turbina, para evitar lasvibraciones provocadas por la prdida de sustentacin. Alrededor de las dos terceraspartes de los aerogeneradores que actualmente se estn instalando en todo el mundo sonmquinas de regulacin por prdida aerodinmica.

Regulacin activa por prdida aerodinmica ("stall controlled (active)")

Un nmero creciente de grandes aerogeneradores (a partir de 1 MW) estn siendo

desarrollados con un mecanismo de regulacin activa por prdida aerodinmica.Tcnicamente, las mquinas de regulacin activa por prdida aerodinmica se

parecen a las de regulacin por cambio del ngulo de paso, en el sentido de que ambostienen palas que pueden girar. Para tener un momento de torsin (fuerza de giro)razonablemente alto a bajas velocidades del viento, este tipo de mquinas sernnormalmente programadas para girar sus palas como las de regulacin por cambio delngulo de paso a bajas velocidades del viento (a menudo slo utilizan unos pocos pasosfijos, dependiendo de la velocidad del viento).

Sin embargo, cuando la mquina alcanza su potencia nominal, este tipo demquinas presentan una gran diferencia respecto a las mquinas reguladas por cambiodel ngulo de paso: si el generador va a sobrecargarse, la mquina girar las palas en ladireccin contraria a la que lo hara una mquina de regulacin por cambio del ngulo depaso. En otras palabras, aumentar el ngulo de paso de las palas para llevarlas hasta unaposicin de mayor prdida de sustentacin, y poder as consumir el exceso de energa delviento.

Una de las ventajas de la regulacin activa por prdida aerodinmica es que laproduccin de potencia puede ser controlada de forma ms exacta que con la regulacin


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pasiva, con el fin de evitar que al principio de una rfaga de viento la potencia nominal seasobrepasada. Otra de las ventajas es que la mquina puede funcionar casi exactamente ala potencia nominal a todas las velocidades de viento. Un aerogenerador normal deregulacin pasiva por prdida aerodinmica tendr generalmente una cada en laproduccin de potencia elctrica a altas velocidades de viento, dado que las palasalcanzan una mayor prdida de sustentacin.

El mecanismo de cambio del ngulo de paso suele operarse mediante sistemashidrulicos o motores elctricos paso a paso, stos deben tener gran precisin puesto quelos ngulos tpicos de control en este caso son entre 0 y 4.

La eleccin de la regulacin por cambio de paso es sobretodo una cuestineconmica, de considerar si vale o no la pena pagar por la mayor complejidad de lamquina que supone el aadir el mecanismo de cambio de paso de la pala.

Otros mtodos de control de potencia

Algunos aerogeneradores modernos usan alerones (flaps) para controlar lapotencia del rotor, al igual que los aviones usan aletas para modificar la geometra de lasalas y obtener as una sustentacin adicional en el momento del despegue.

Otra posibilidad terica es que el rotor oscile lateralmente fuera del viento(alrededor de un eje vertical) para disminuir la potencia. En la prctica, esta tcnica deregulacin por desalineacin del rotor slo se usa en aerogeneradores muy pequeos (demenos de 1 kW), pues somete al rotor a fuerzas que varan cclicamente y que a la largapueden daar toda la estructura.

3.3.2 Control sobre la Potencia inyectada a la red

Dado que el recurso elico genera potencia elctrica con frecuencia y voltajevariables, al momento de conectarlo al sistema elctrico, la planta debe contar con unsistema de control sobre la frecuencia de modo que sea compatible con la de la red,adems mantener sincronismo y una regulacin adecuada de las tensiones en el punto deconexin, adicionalmente se requiere un control sobre los reactivos inyectados a la red.

Ya que algunas de las metodologas usualmente empleadas se basan en la

utilizacin de equipos convertidores inteligentes, es necesario considerar el contenidoarmnico que estos equipos tpicamente inyectan a la red.

Todos los factores anteriormente mencionados pueden enmarcarse dentro de unconcepto de calidad de potencia inyectada a la red que debe ser controlada por el controlsupervisor del parque elico. En trminos generales, el impacto sobre la calidad de lapotencia puede subdividirse en dos temas conforme a las condiciones de operacin:conexin del parque a la red y calidad de suministro en rgimen permanente.


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En general, la mayora de controladores de aerogeneradores estn programadospara que la turbina funcione en vaco a bajas velocidades de viento (si estuvieseconectada a la red elctrica a bajas velocidades de viento, de hecho funcionara comomotor). Una vez que el viento se hace lo suficientemente potente como para hacer girar elrotor y el generador a su velocidad nominal, es importante que el generador de la turbinasea conectado a la red elctrica en el momento oportuno (si no es as, tan solo estarn laresistencia mecnica del multiplicador y del generador para evitar que el rotor se acelere,y que finalmente se embale).

Los generadores modernos tienen un arranque suave, se conectan y sedesconectan de la red de forma gradual mediante tiristores. Puesto que los tiristorespierden alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energa que pasa a travs de ellos, existeadems un interruptor derivante (interruptor mecnico) que es activado despus de quela turbina ha efectuado el arranque suave. De esta forma se minimiza la cantidad deenerga perdida.

Adicionalmente a la conexin y/o desconexin programada de las turbinas elicas,

existe la situacin en que una seccin de la red elctrica se desconecta de la red elctricaprincipal, como ocurrira por el disparo accidental o intencionado de un gran disyuntor enla red (p.ej. debido a paros en el suministro elctrico o a cortocircuitos en la red). En esecaso, los aerogeneradores que operan a travs de un generador sncrono excitado a travsde bateras y equipos convertidores pueden seguir funcionando en la parte de la red queha quedado aislada, sin embargo, es muy probable que las dos redes separadas no estnen fase despus de un breve intervalo de tiempo.

El restablecimiento de la conexin a la red elctrica principal puede causarenormes sobretensiones en la red y en el generador de la turbina elica. Esto tambincausara una gran liberacin de energa en la transmisin mecnica (es decir, en los ejes, el

multiplicador y el rotor), tal como lo hara una "conexin dura" del generador de laturbina a la red elctrica.

Por este motivo, el controlador debe estar constantemente vigilando la tensin yla frecuencia de la corriente alterna de la red. En el caso de que la tensin o la frecuenciade la red local se salgan fuera de ciertos lmites durante una fraccin de segundo, laturbina se desconectar automticamente de la red, e inmediatamente despus parar(normalmente activando los frenos aerodinmicos), para proceder posteriormente aconectarse en forma suave.

3.4 Generacin Elica y Calidad de Suministro

Bajo condiciones normales de operacin los principales temas de inters entrminos de la calidad de suministro tienen relacin con el impacto en el voltaje enrgimen permanente, las variaciones dinmicas de ste, la inyeccin o absorcin dereactivos y la distorsin armnica en la red. Adicionalmente, si se emplean sistemas decompensacin de reactivos basados en conexin y desconexin de bancos de


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condensadores debe considerarse los transientes de voltaje y corriente producto de laconmutacin de estos elementos.

3.4.1 Impacto en el voltaje en rgimen permanente

El impacto que provoca la operacin de una planta de generacin elica en elvoltaje del punto de acoplamiento comn con la red es uno de los problemas msfrecuentes. Este problema, propio de cualquier central generadora, se ve acrecentadodebido a que las plantas de generacin elica tienen por lo general una capacidad degeneracin pequea, que no justifica un costo adicional en lneas de transmisin queminimicen los efectos de cada de tensin en la impedancia de lnea. Conforme a loanterior, la controlabilidad del voltaje en rgimen permanente se lleva a cabo por mediodel manejo de la potencia reactiva de acuerdo al tipo de turbina.

3.4.2 Variaciones dinmicas de voltaje

Las variaciones dinmicas de la tensin en el punto de acoplamiento comn y suvecindad es otro tpico de calidad de suministro que conviene analizar. Las variaciones detensin son consecuencia del flujo de potencia a travs de la red elctrica al igual que elcaso anterior, la diferencia se establece al considerar el horizonte de tiempo definido paraexaminar las variaciones. De este modo, el concepto de rgimen permanente implica untiempo de monitoreo desde minutos hasta horas, en tanto que las variaciones dinmicasconllevan bases de tiempo de mucho menores del orden de segundos o fracciones desegundo. Uno de los efectos ms notables de los cambios dinmicos de voltaje es elllamado efecto flicker o parpadeo el cual es evaluado en centrales de generacin elicaa travs del ndice de severidad de parpadeo. El control que tiene la planta sobre estendice, es mnimo en el caso de tecnologa de generacin a velocidad fija, sin embargo alemplear turbinas con velocidad variable los efectos de flicker pueden minimizarse hastarangos aceptables.

3.4.3 Inyeccin de reactivos

En trminos generales, una turbina elica es diseada para suministrar potenciaactiva a la red elctrica, la potencia reactiva intercambiada entre la red y la turbina va a

depender del diseo de sta, pudiendo existir consumo inyeccin o bien intercambio nulode reactivos con la red.


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Un parque elico puede ser ejemplificado en trminos gruesos por la siguientefigura:

Figura 3.11: Esquema simplificado de un parque elico conectado a la red

La interaccin en este circuito se representa por:

UPCC =Rg (P/U n )+X g(Q/U n )+Un (3.3)

Donde:

UPCC: tensin en el punto de acoplamiento comn

Un: voltaje nominal de la red

P: potencia activa generada

Q: potencia reactiva consumida

Rg: resistencia equivalente de la redXg: reactancia equivalente de la red

La ecuacin anterior muestra como el voltaje en el punto de acoplamiento comnes influido por la inyeccin o consumo de reactivos.

De este modo, resulta vital la estrategia de control para los reactivos en la plantade generacin elica puesto que adicionalmente es un mecanismo de control para regularel voltaje en el punto de acoplamiento comn y tiene una pequea incidencia en reducirlos efectos de flicker en el caso de turbinas de velocidad fija.

3.4.4 Distorsin armnica

Este problema se presenta al emplear turbinas elicas con equipos deacoplamiento basados en dispositivos de electrnica de potencia. En el caso degeneradores conectados directamente a la red, este problema por lo general no esrelevante. En caso de existir contaminacin armnica sobre los lmites permisibles, la


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solucin consiste en incorporar un filtro de armnicas (pasivo sintonizado) previo altransformador elevador de tensin de la planta.

3.5 Calidad de Suministro para diferentes Tipos de generadores

Los problemas anteriormente mencionados determinan las necesidades de controlsobre el parque elico, no obstante la forma de llevar a cabo la estrategia de control de lasvariables se encuentra fuertemente influida por el tipo de turbinas presentes en la planta.Bsicamente, los aerogeneradores pueden clasificarse en dos tipos: aerogeneradores develocidad fija y aerogeneradores de velocidad variable, esta ltima tambin se subdividede acuerdo al tipo de generador elctrico: asncrono o sncrono.

3.5.1 Calidad de suministro en aerogeneradores de velocidad fija

Los aerogeneradores de velocidad fija usan casi en su totalidad generadoresasncronos de induccin para convertir la energa del viento en energa elctrica, lascaractersticas operacionales de la mquina de induccin as como tambin su robustez ybajo costo son las principales razones que justifican este hecho.

Un esquema simplificado de conexin se muestra en la siguiente figura:

Figura 3.12: Aerogenerador de velocidad fija conectado a la red

Los aerogeneradores de velocidad fija pueden emplear estrategias de control deRegulacin por cambio del ngulo de paso y regulacin por prdida aerodinmica activa o

pasiva (pitch y stall control). Adicionalmente, el sistema requiere de un mecanismo departida suave, un banco de condensadores y una caja de cambios, puesto que lavelocidad rotacional de la turbina es considerablemente menor a la velocidad delgenerador.

Todos los aerogeneradores de velocidad fija tienen en comn problemas decalidad de suministro asociados al impacto sobre el voltaje en rgimen permanente, lasvariaciones dinmicas de voltaje y perturbaciones por la conexin del banco decondensadores.


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El problema de la regulacin del voltaje en rgimen permanente est dado por laincapacidad de controlar el consumo de reactivos a travs de generador, por lo cual elimpacto sobre el voltaje en el punto de acoplamiento comn est predeterminado por lafuncin de potencia activa entregada a la red.

En el caso de las variaciones dinmicas del voltaje, stas dependen de la eficiencia

del control de regulacin por ngulo de paso y regulacin por prdida aerodinmica. En elcaso de esta ltima estrategia de control, la regulacin por prdida aerodinmica pasivaprcticamente no ofrece impacto sobre las variaciones dinmicas del voltaje (tal como lodemuestran las instalaciones que operan en la actualidad), por lo cual el uso de regulacinactiva no se emplea con el objeto de mejorar este aspecto sino ms bien de tener uncontrol ms fino sobre la potencia activa inyectada.

Para aquellos sistemas que utilizan nicamente una estrategia de regulacin delngulo de paso de las aspas (pitch), el problema de la regulacin de voltaje es msimportante puesto que, en general, una pequea fluctuacin en la velocidad del vientoinduce variaciones considerables en la potencia de salida, adems la velocidad de

respuesta del mecanismo de control no es lo suficientemente rpida para evitar lasfluctuaciones de voltaje.

La mejor forma de control para este tipo de aerogeneradores es a travs de laconexin y

apunte energias renovables prim 2009

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