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Generación Eléctrica mediante Energía Renovable No Convencional

Sistemas de Conversión Eólicos

Curso Plan Complementario 2015

Dr. Miguel López G.Escuela de Ingeniería EléctricaPontificia Universidad Católica de Valparaíso

Fundamentos Teóricos de los Sistemas Eólicos

• Implementación mecánica– Molinos de viento (Turbinas Eólicas)– Torres– Movimientos de masas de aire– Ajustes mecánicos de Aspas

• Estructuras eléctricas/electrónicas de Conversión– Velocidad fija / velocidad variable

Dr. Miguel López G. EIE-PUCV

Sistemas de Generación Eléctrica mediante Energías Renovables No Convencionales

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FUNDAMENTOS IMPLEMENTACIÓN MECÁNICA

Parte 1

Turbinas Eólicas• Conversión de la energía aerodinámica a mecánica

rotacional (Rotor)– Turbinas de eje horizontal (HAWT) – Turbinas de eje vertical (VAWT)



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Turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT)

• Multi-pala: 2 (bipala), 3 (tripala), más palas – A barlovento

• La más utilizada• Necesita de un mecanismo de orientación

– A sotavento• Sin mecanismos de orientación• Carga despareja en las palas (efecto sombra de la

torre)



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Turbinas Eólicas de Eje Horizontal



6

[Fuente: www.windstuffnow.com]

[Fuente: www.wikipedia.org]

http://www.windstuffnow.com

http://www.wikipedia.org

Turbinas eólicas de eje Vertical (VAWT)

• No necesitan sistema de orientación• Algunas requieren sistema de arranque• No utilizan torre / torres bajas

– Menor complejidad y mantención– Menor cantidad de viento

• Ejemplos: Darrieus, Tipo H, Savonius,…



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Turbinas Eólicas de Eje Vertical



8

[Fuente: www.wikipedia.org][Fuente: www.wikipedia.org]

www.gizmology.net



http://www.gizmology.net

Implementación mecánicaTipos de Torres. Grandes Turbinas

Torre tubular (Monopole) Celosía (lattice or truss)



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Parque eólico offshore Turbinas de 5MW REpower - Mar del Norte, Bélgica

Turbina Eólica Fuhrländeren Laasow, Alemania. La más alta del mundo (205m). Torre de celosía.

Implementación mecánicaTipos de Torres. Pequeñas Turbinas

Dr. Miguel López G. EIE-PUCV Sistemas de Generación Eléctrica mediante

Energías Renovables No Convencionales

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Fuente: www.windturbinestar.com (Turbinas Aeolos)

• Con tirantes (guyed)– Torre de mástil (tubular) tensado– Torre de celosía

• Independientes (freestanding)– Torre de celosía, – Mástil Tubular– Torre hidráulica

http://www.windturbinestar.com

Movimientos de masas de aire• Potencia en el viento

– Para una masa de aire a una velocidad v , a través de un área de sección A:

;

[W]

• No usar viento promedio para calcular la energía disponible• Densidad: (a 15°C, 1 atm) ; depende de la Temperatura,

Altitud



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Movimientos de masas de aire• Altura de la torre, velocidad del viento

– α: coeficiente de fricción, depende de las características del terreno

• entre 0.1 para terreno duro y liso o agua calma y 0.4 para grandes ciudades con edificios altos

– z: largo de aspereza [m]• Desde 0.0002 para la superficie del agua, a 1.6 para ciudades y

bosques densos



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Potencia extraída por el rotor de la turbina

• Diferencia de potencias de entrada y salida (v1 > v2)

– Flujo másico a través de la turbina:

(con )

• Eficiencia del rotor (Coeficiente de potencia)–



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Rendimiento máximo turbinas eólicasLey de Betz

• Eficiencias de rotores (turbinas) actuales– Definición: Razón velocidad en

punta de pala TSR (Tip-Speed-Ratio)


Fuente: buckville.com

• Eficiencia del rotor (coeficiente de potencia) y Potencia extraída–– Máximo: ;– (límite de Betz)


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Ajustes mecánicos de aspas



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• Tipos de fuerzas aerodinámicas– Arrastre (Drag)

• Turbinas tipo Savonius, anemómetros (medición del viento)– Sustentación (Lift): Efecto de elevación ala de avión

• Coeficiente de potencia mayor

• Control y Protección de Turbinas Eólicas– Control aerodinámico de la potencia de grandes turbinas

• Control por ajuste del ángulo de ataque (Blade-pitch) (próxima diapo)• Control activo de pérdida aerodinámica (Active Stall)

– Protección del sistema a vientos fuertes• Posición en Bandera

• Control aerodinámico de potencia pequeñas turbinas– Control pasivo de pérdida aerodinámica (Passive-Stall) (próxima diapo)– Control de orientación de la góndola (Yaw control)

http://firstflight.open.ac.uk/

http://firstflight.open.ac.uk/

Control de ajuste de ángulo de ataque y efecto de pérdida aerodinámica

Control del ángulo de ataque (Blade-pitch)



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[Fuente: Hau, Wind Turbines, 2006]

Pérdida aerodinámica (stall)

SISTEMAS DE CONVERSIÓN EÓLICOS

Parte 2

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Sistemas de conversión para Turbinas eólicas de velocidad fija

• 2 Generadores de inducción (1:4)– Pequeño para vientos bajos

• Banco de condensadores variable• Control Stall (pasivo o activo)

• Ventajas– Robusto frente a fallas en la red– Económico

• Desventajas– Requiere de una red de potencia

fuerte para operación estable– Sin control de velocidad– Altos esfuerzos mecánicos



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Turbinas eólicas de velocidad variable. Resumen de la tecnología actual

Energía Eólica

Turbina

Accionamiento Directo

Sincrónica multi-polar

Bobinado

Convertidor

Caja de Engranajes

Sincrónica

de Imanes permanentes

Convertidor

de Inducción

Jaula de Ardilla

Convertidor

Bobinado o doblemente alimentado

Conexión directa a la red

Entrada

Transmisión

Máquina

Rotor

Conexión a la red



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Sistemas de conversión. Turbinas eólicas de velocidad variable

• Características DFIG– Generador de inducción de

rotor bobinado– Ajuste del ángulo de pala,

velocidad variable– ±30% de variación del

deslizamiento alrededor de la velocidad sincrónica

– Convertidor (espalda con espalda o AC/AC directo) en circuito de rotor

• Ventajas– Control suave de potencia reactiva– Conexión suave a la red– Cargas mecánicas reducidas

• Desventajas– Anillos colectores à mayor mantención– Convertidor sensible a fallas de la red à esquema de

protección complejo

Sistemas de conversión para turbinas eólicas de velocidad variable

• Ajuste de ángulo de pala - velocidad variable

• Con / Sin Caja de cambios • Generador

– Síncrono (bobinado o a Imanes permanentes)

– De inducción Jaula de ardilla



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• Convertidor de potencia– Rectificador a diodos +

elevador de CC / CC + inversor

– Espalda con Espalda– Convertidor AC / AC directo

(convertidor matricial, ciclo-convertidor, etc.)

Esquema de Control para Sistema Eólico con DFIG

• Objetivos de Control– Operación para punto de

potencia máxima– Regulación de potencia a

vientos fuertes– Potencia reactiva

• Control turbina– Control del ángulo de

ataque– Limitación de la potencia

• Control DFIG– Potencias activa y reactiva– Convertidor del lado de la

red• Tensión DC• Factor de potencia

unitario



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Esquema de Control para Sistema Eólico con PMSG

• Objetivos de Control– Operación para punto de potencia

máxima– Regulación de potencia a vientos fuertes– Potencia reactiva



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• Control turbina– Control del ángulo de ataque– Limitación de la potencia

• Control PMSG– Punto de máxima potencia– Convertidor del lado de la red

• Tensión DC• Factor de potencia unitario

Curva de Potencia de una Turbina Eólica

• Información técnica más importante de una turbina eólica:– Relación Potencia eléctrica de

salida vs. velocidad del viento (P vs. v)

– Parámetros• Viento mínimo (cut-in)• Viento nominal • Viento máximo (cut-out o furling)

• Optimización– Aumento del radio de las palas– Aumento del generador



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RECURSO EÓLICOParte 3

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Recurso viento. Formas de representación. Densidad de potencia

• Histograma del recurso viento – Recopilación de datos (discreta)

en el sitio

• Densidad de potencia promedio del viento–

• Función de Densidad de Probabilidad del viento: Representación continua– Distribución Weibull–

• Parámetros de forma (k) y de escala (c)



260 5 10 15 20 25

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

v [m/s]

f(v)

k=1k=2k=3

-5 0 5 10 15 20 25 300

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

v[m/s]

Hor

as p

or A

ño

Función de Densidad de ProbabilidadDistribución Rayleigh (k = 2)

• Para suposición inicial, sitios sin datos conocidos

• Promedio (válido para 1.5 < k < 4)

• Densidad de potencia promedio – 0 5 10 15 20 250

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

v [m/s]

f(v)

c=4 (V = 3.5 m/s)c=6 (V = 5.3 m/s)c=8 (V = 7.1 m/s)



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