UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO. Nombre del Proyecto. Empresa. Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de: Presenta

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1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Nombre del Proyecto Diseño de Sistema de Generación Electro-Eólica conectado a la Red Empresa Universidad Nacional de Rio Cuarto, Córdoba Argentina Facultad de Ingeniería, Laboratorio Grupo de Electrónica Aplicada (GEA) Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de: Técnico Superior Universitario en Energías Renovables Área Energía Solar Presenta Daniel Lira Ibarra Asesor de la UTEQ Asesor de la Organización M. en I. Clara Cardona Martínez Dr. Daniel Gustavo Forchetti Santiago de Querétaro, Qro. Septiembre de 2014

2 Resumen La energía eólica como muchas de las energías alternativas con las que hoy en día se cuentan, se han vuelto un recurso importante en la generación de electricidad, ya que una parte importante de ellas es que son limpias, seguras, económicas, renovables y funcionales. La capacidad de generar y proporcionar energía eléctrica en el mundo se ha convertido en un tema preocupante. En este trabajo de estadía se determinará cuantitativa y cualitativamente los aspectos dimensionales, parámetros eléctricos y capacidad de generación, mediante investigación, estudio y de un diseño de un Sistema de Generación Electro Eólico Conectado a la Red de distribución. Se hablara sobre el funcionamiento técnico de las partes que componen un aerogenerador eólico. Se hablara del diseño propuesto para la investigación, así como la distribución de vientos anuales, la energía anual generada y rangos de velocidad, con base a datos experimentales y por último se dará a conocer el diseño de un aerogenerador eólico en un software de diseño en 3D, esto de manera demostrativa. 2

3 Descripción The project was carried on at the Universidad Nacional de Rio Cuarto in the province of Cordoba. Dr. Daniel Forchetti was very helpful in the project. He is an intelligent middle-age person. He had blue eyes, short hair and white skin. He has a wonderful personality; he is always on top of things. In relation to the laboratory facilities of the Grupo de Electronica Aplicada, there were adequate equipment and resources for research. The members of the group were kind and gentle. From the first moment, they made me feel part of the work team. 3

4 Dedicatorias El presente trabajo realizado, se la dedico a mi familia que gracias a su apoyo pude concluir mi carrera como Técnico. A mis padres y hermanos por su apoyo y confianza. Gracias por ayudarme a cumplir mis sueños, mis objetivos como persona y estudiante. A mi Padre por brindarme los recursos necesarios, por estar a mi lado apoyándome, por ser el mejor ejemplo, mejor maestro, mi mejor amigo y aconsejándome a diario. A mi Madre por hacer de mí una mejor persona a través de sus consejos, enseñanza, amor y por creer siempre en mí. A mis hermanos por estar siempre presentes, acompañándome en este camino, por su apoyo, confianza y cariño que me brindaron para poder realizar este sueño. 4

5 Agradecimientos El trabajo realizado en esta estadía, fue posible gracias a la beca otorgada por la Universidad Tecnológica de Querétaro, a través de la dirección de Innovación y Desarrollo Tecnológico, que gracias a ello fue posible realizar esta estancia en la ciudad de Rio IV, en Argentina. Además del apoyo incondicional de Familiares, Maestros y Amigos, que sin duda alguna fueron una parte importante en este paso de mi vida. Quiero agradecer a mis profesores de la carrera, que gracias a sus enseñanzas, su tiempo y dedicación me enseñaron a ser mejor persona en la vida y a realizarme profesionalmente. Quiero darle un agradecimiento especial a mi asesora, la M. en I. Clara Cardona Martínez, por su confianza en mí, por estos años trabajando con ella, por su apoyo, cariño y que gracias a ella fue posible realizar este proyecto. Por otra parte muy importante quiero darle las gracias a la Universidad Nacional de Rio Cuarto (UNRC), por abrirnos las puertas, al Grupo de Electrónica Aplica (GEA) por darnos la oportunidad de trabajar con ellos y al Dr. Daniel Gustavo Forchetti, por su apoyo, confianza, enseñanza y por el tiempo brindado, sin el cual este proyecto no hubiese sido posible. 5

6 Índice Resumen Descripción.. 3 Dedicatorias 4 Agradecimientos. 5 Índice...6 I. INTRODUCCIÓN...8 II. ANTECEDENTES.10 III. JUSTIFICACIÓN 26 IV. OBJETIVOS...27 V. ALCANCE...28 VI. ANÁLISIS DE RIESGOS..29 VII. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA.31 VIII. PLAN DE ACTIVIDADES.66 IX. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS...67 X. DESARROLLO DEL PROYECTO..68 X.I Capitulo 1.- Investigación del funcionamiento técnico de las partes que componen los generadores eólicos,.. X.II Capitulo 2.- Sistema Eólico Investigado, Distribución de vientos anuales, Energía Anual Generada y Rangos de velocidad.. X.III Capitulo 3.- Dibujo de Generador Eólico en 3D... 6

7 XI. RESULTADOS OBTENIDOS 105 XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 120 XIII. ANEXOS XIV. BIBLIOGRAFÍA.. 7

8 I. INTRODUCCIÓN Como sabemos hoy en día alrededor del mundo, se muestra una problemática muy grande en relación al costo e impacto ambiental de producir energía eléctrica, una problemática que se ve desde tiempo atrás, donde por un largo tiempo nadie hacía nada por realizar acciones o tratar de disminuir ese problema que se estaba generando. Tenemos la oportunidad de contar con energías limpias, reducir las emisiones de CO₂ y otros gases en la atmósfera contribuyendo a disminuir el efecto de la actividad humana en el cambio climático. Comenzar a utilizar este recurso natural renovable que nos brinda el planeta, donde gracias a ello sea posible mejorar la calidad de vida de mucha gente. Una de las maneras de poder combatir el problema de las emisiones de CO₂ es desarrollar proyectos que aprovechen el recurso eólico como una manera limpia de generar energía eléctrica. La energía eólica es un tipo de energía renovable que proviene del movimiento de las masas de aire y que puede ser aprovechada mediante la utilización de aerogeneradores o turbinas de viento. La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. 8

9 Es por eso que este proyecto, Sistemas de Generación Electro Eólicos conectados a la RED permitirá mejorar los conocimientos sobre este tipo de tecnología lo cual representa una oportunidad muy grande para mucha gente, que podrá contar con recursos que le permitan mejorar su calidad de vida y desarrollo económico. El análisis y estudio de las investigaciones hechas sobre este recurso natural permitirá tener una idea más clara y precisa de cómo puede ser aprovechado y que impacto podría tener en las diversas actividades humanas. 9

10 II. ANTECEDENTES La energía eólica es una de las formas de energía más antiguas usadas por la humanidad. Desde el principio de los tiempos, los hombres utilizaban los molinos de viento para moler cereales o bombear agua Con la llegada de la electricidad, a finales del siglo XIX los primeros aerogeneradores se basaron en la forma y el funcionamiento de los molinos de viento. Sin embargo, hasta hace poco tiempo, la generación de electricidad a través de aerogeneradores no ha jugado un gran papel. (Energía, 2014) A lo largo de la historia se han desarrollado diferentes sistemas de bombeo, desde los molinos agrícolas para abastecimiento de agua para ganado, hasta los sistemas de bombeo electro-eólicos con disponibilidad de energía eléctrica para otros propósitos. En general, cuando se habla de utilización de energía eólica se pueden mencionar dos aplicaciones principales: el bombeo de agua y la generación de electricidad. (MASTER, 2013) Las primeras bombas eólicas aparecieron hacia 1854, desarrolladas por Daniel Halladay. Estas bombas están formadas por un rotor multi-pala acoplado, mediante un sistema biela manivela, a una bomba de pistón. (Enrique, 2012) Hacia 1890 se empezó a fabricar, con álabes metálicos, el conocido molino de bombeo americano, llegando a convertirse en el molino de viento más utilizado de cuantos hayan existido, como se muestra en las figuras 1 y 2. 10

11 Figura 1. Primera Bomba eólica Figura 2. Molino de bombeo americano Con la primera crisis del petróleo en los años 70, sobre todo a partir de los movimientos contra la energía nuclear en los años 80 en Europa, se despertó el interés en energías renovables. Se buscaron nuevos caminos para explotar los recursos naturales disponibles de manera ecológica y económicamente rentables. (Renovables, Energías Renvables para el Hogar, 2011) Los aerogeneradores de aquella época eran demasiado caros, y el elevado precio de la energía que se obtenía a través de los mismos era un argumento para estar en contra de su construcción. Debido a esto, los gobiernos internacionales promovieron la energía eólica en forma de programas de investigación y de subvenciones, la mayoría de las mismas aportadas por los gobiernos regionales 11

12 Después de la primera crisis del petróleo de 1973, muchos países (principalmente los que tenían una importante dependencia de la importación de esos productos) comenzaron a considerar con mayor interés la producción de energía eléctrica a partir del recurso eólico. Es así como se empezó a pensar seriamente en lo que dio en llamarse ahorro o conservación de energía y al mismo tiempo se comenzó a replantear el tema de la utilización de las energías no convencionales, apareciendo entonces la energía eólica, desde el punto de vista económico, como una fuente más competitiva para la producción de electricidad. Esta situación incentivó a las compañías de energía a la realización de nuevos estudios que llevaron a una importante mejora de las tecnologías de aprovechamiento, logrando equipos conversores de energía eléctrica cada vez más confiables y potentes. Estos estudios permitieron la construcción de grandes aerogeneradores, tomando como punto de partida el aerogenerador de Gedser, (Figura 3) habiéndose construido para el año 1979 dos aerogeneradores de 630 kw. Estos diseños resultaron extremadamente caros y en consecuencia, el alto precio de la energía devino un argumento clave en contra de la energía eólica. (Téllez, 2011) Figura 3. Aerogenerador de Gedser Si bien se puede decir que desde los años 70 comenzó la generación de electricidad a gran escala, también hay que mencionar que ya desde la década del 30, se hicieron muy populares los denominados Aero cargadores, máquinas 12

13 eólicas de pequeña potencia generadoras de electricidad (hasta unos 3 kw), destinadas fundamentalmente a cargar baterías con las que los pobladores podían en algunos casos iluminarse y también escuchar radio. En este contexto general, al producirse la extensión de la electrificación rural por redes convencionales y sumada la facilidad en adquirir equipos accionados a combustible a un precio muy acomodado (con la posibilidad adicional, de brindar un servicio más completo, Los generadores eólicos se vieron desplazando paulatinamente. A pesar de este desplazamiento, existen regiones alejadas de los grandes centros urbanos que no dispone ni dispondrá de energía eléctrica por medios convencionales. Es en esos lugares, la utilización de sistemas de generación autónomos de pequeña potencia a partir de energías alternativas es aún viable y atractiva. Esta viabilidad es más atractiva aún si además se menciona, que en estos sistemas es posible integrar la función de bombeo de agua (extraída de napas subterráneas) para consumo humano, de ganado y para riego. Tal es así, que en la actualidad existen algunos sistemas comerciales de bombeo basados en generadores electro-eólicos los cuales han sido analizados en su desempeño práctico y han mostrado buenos resultados. Algunos de estos sistemas son destinados a solucionar el problema del abastecimiento de agua potable a zonas de bajos recursos. En la figura 4, se muestra una línea del tiempo, donde se puede observar los inicios de los diferentes usos, que se le dio a la Energía Eólica. (Forchetti, 2013) 13

14 Figura 4. Inicios y usos de la Energía Eólica. La evolución histórica de los molinos de viento se puede diferenciar cuatro etapas definidas por acontecimientos históricos o técnicos. 1) La primera etapa comprende desde las primeras máquinas conocidas hasta el siglo XIV o XV y se caracteriza por una lenta evolución técnica. El documento histórico más antiguo que se conoce acerca del aprovechamiento de la energía eólica son unos grabados egipcios que tratan de la navegación a vela del cuarto o quinto milenio antes de Cristo. La primera referencia histórica sobre una posible aplicación de la energía eólica que no fuera la navegación, data del año 1700 a.c., siendo los babilonios los pioneros en utilizar molinos de viento para bombear agua con el fin de regar sus campos. 14

15 El primer molino de viento de aplicaciones utilitarias que se conoce con cierto detalle es el molino persa de eje vertical que se utilizó posiblemente varios siglos antes de nuestra era. Este molino se empleaba para moler grano y fue de uso corriente en el Sijistán, zona situada en la antigua Persia en lo que hoy en día es Irán y Afganistán, donde se dice que soplaba un viento muy constante llamado de los 120 días. Se cree que la aparición de este molino tiene alguna relación con la rueda hidráulica aparecida anteriormente. (Curti, 2013) El molino persa (figura 8) estaba formado por una torre de mampostería provista de una pared frontal que permitía dirigir el viento sobre las palas. El rotor estaba formado por unas ocho palas de madera que se unían en el eje central, comunicando el movimiento a las muelas situadas en la base. Figura 8. Molino Persa En los primeros molinos de eje horizontal (figura 9), el rotor estaba formado por unas velas que guardaban cierta similitud con las que se utilizaban en la navegación. El eje sobre el que se unían las seis u ocho palas, movía una rueda a la que se acoplaba la noria. El conjunto apoyaba en un trípode de madera que se situaba sobre la boca del pozo. 15

16 Figura 9. Primer molino de eje horizontal. El molino mediterráneo era una máquina con un rotor fijo, sin posibilidad de orientarse en la dirección del viento (figura 10), y se utilizó para bombear agua y para moler grano en toda la extensión del imperio musulmán. El modelo más sencillo era el que se utilizaba para sacar agua de los pozos. Las aspas de estos molinos se fabricaban atando telas a los palos del rotor, de forma similar a los molinos persas de eje horizontal, de los que sin duda proceden. El rotor, se apoyaba sobre un trípode de madera, desde donde se movía la noria o una rueda con cangilones que permitía sacar el agua. La velocidad de giro podía regularse por el procedimiento de soltar o recoger las velas. 16

17 Figura 10. Molino mediterráneo El molino mallorquín (figura 11) generalmente iba situado sobre la casa del molinero. El rotor llevaba seis palas que se parecían a las de los molinos europeos, es decir, las palas estaban fabricadas con entramado de madera y recubiertas con tela. Las palas disponían de unos tirantes que proporcionaban una mayor rigidez al conjunto. Figura 11. Molino mallorquín 17

18 2) La segunda etapa empieza en el Renacimiento y termina en plena Revolución industrial. En esa etapa, hay un gran interés por la maquinas eólicas. Se produce una rápida evolución técnica y ello permite al hombre introducir importantes mejoras en los molinos. Se desarrollan los sistemas de orientación, se mera el diseño de las palas, etc... (Electronica, 2009) A partir del siglo XV se extienden por Europa dos tipos de molinos estructuralmente bien diferenciados, y que se desarrollan hasta mediados del siglo XIX. Son los molinos de trípode y los de torre. Los molinos de trípode habían sustituido a los de pivote consiguiendo una sustancial mejora en el sistema de apoyo, lo que hizo posible la construcción de máquinas de mayor tamaño La creación del poste hueco permitió a los molinos de trípode continuar su desarrollo paralela-mente a los de tipo torre, adaptándose a las necesidades crecientes de la época. Con el tiempo, el trípode acabaría recubriéndose para ser utilizado como almacén, o como vivienda del molinero (figura 12). Figura 12. Molino Trípode Desde la aparición de los molinos de viento, la orientación del rotor fue el problema más importante que impidió su desarrollo. 18

19 Desde los sistemas de orientación mediante palanca de los primeros molinos, se han inventado numerosos artilugios pero la verdadera solución al problema la aportaron las mejoras de diseño que estaban dirigidas a reducir el volumen y el peso de la parte del rotor que había de orientarse y la introducción de rodamientos y piezas deslizantes. El primer sistema de auto-orientación lo invento el inglés Edmund Lee en El mecanismo consistía en un rotor auxiliar, dispuesto perpendicularmente al rotor principal, que iba montado sobre la escalera de acceso al molino y acoplado a unas ruedas apoyadas sobre el suelo (figura 13). Figura 13. Sistema de auto-orientación 19

20 La evolución de las palas de los molinos anteriores al siglo XVI se construían con un entramado de varillas a ambos lados de un mástil principal, cubriéndose posteriormente con una tela (figura 14 - a). Más tarde, el mástil se colocó en el borde de ataque de la pala, de forma que soportara mejor la entrada de aire y le diera cierta torsión a la pala a lo largo de su envergadura, con el fin de mejorar su rendimiento aerodinámico (figura 14 - b). Las palas con torsión se desarrollaron en el siglo XVII y la incorporación de los sistemas de regulación aerodinámica en el XVIII. La pala con freno aerodinámico incorporado fue inventada por Andrew Meikle en Estas palas llevaban un flap en el extremo que actuaba mediante un resorte cuando el viento era demasiado fuerte (figura 14 - c). En 1807, Sir Eilliam Cubitt incorporó unas masas de acción centrifuga en el extremo del mecanismo y consiguió así, por primera vez, un sistema de regulación automática (figura 14 - d). Figura 14. Evolución de las palas 20

21 3) La tercera etapa comprende desde la mitad del siglo XIX hasta mediados del siglo actual. Durante esa época se desarrolla la teoría aerodinámica se efectúan otros descubrimientos de carácter técnico. Los molinos de viento sufren una transformación completa en su diseño. En la segunda mitad del siglo XIX empieza a aparecer una nueva generación de turbinas eólicas, con una diferente concepción de diseño. Son máquinas sencillas y su ámbito de aplicación se reduce a zonas rurales más o menos aisladas, donde las ventajas de la industrialización no se han hecho notar y en general se utilizan para bombear agua de los pozos. Las primeras bombas eólicas aparecieron en Estados Unidos en 1854, y fueron desarrolladas por Daniel Halladay. Se trataba de rotores de múltiples alabes (multi-pala) acoplados a una bomba de pistón, (figura 15). Figura 15. Bombas eólicas (multi-palas) 21

22 En 1884, Steward Perry fabricó otro modelo con alabes metálicos. Ese molino, conocido como "multi-pala americano", era un molino mucho más ligero que sus antecesores y llegó a convertirse en el molino de viento más extendido de cuantos hayan existido. Tenía un rotor de 3 metros de diámetro, un número de palas que oscilaba entre 18 y 24 e iba montado sobre un eje horizontal en la parte superior de una torre metálica, (figura16). Figura 16. Generador multi-pala americano. En el año 1892, cuando el profesor Lacour, dentro de un programa de desarrollo eólico del gobierno danés, diseñó el primer prototipo de aerogenerador eléctrico. La máquina tenía cuatro palas de 25 metros de diámetro y era capaz de desarrollar entre 5 y 25 kw. En 1924, el finlandés Sigurd Savonius invento un rotor de eje vertical capaz de trabajar con velocidades de viento muy bajas. El rotor Savonius está formado por dos semicilindros dispuestos alrededor de un eje vertical. 22

23 La sencillez de su diseño hacen que esa turbina requiera poco mantenimiento y la convierte en un sistema adecuado para el bombeo de agua de riego en regiones poco industrializadas. Por esta misma época, en Francia, Darrieus desarrolló una turbina de eje vertical. Esta turbina tiene un rotor provisto de unas palas con curvatura, fabricadas mediante la yuxtaposición de dos alas. Este tipo de turbina se ha convertido en una de las opciones de interés dentro del campo de los modernos aerogeneradores, (figura 17). Figura 17. Generador de eje vertical, Izq. Savonius. Der. Darrieus. Es de destacar también el primer aerogenerador de potencia superior a un megavatio, el Smith-Putnam construido en Estados Unidos en Este aerogenerador tenía un rotor de dos palas fabricadas en acero inoxidable, dispuestas hacia atrás y con cierta conicidad. Las palas tenían la particularidad de poder variar su conicidad para regular la toma de aire. (figura 18). 23

24 Figura 18. Primer Aerogenerador, (Smith-Putnam) 4) La cuarta y última etapa empieza con la crisis energética de 1973 y llega hasta la actualidad. No se aprecian grandes modificaciones en el diseño pero se produce una evolución tecnológica, se elaboran métodos de cálculo más rigurosos, se utilizan nuevos materiales más ligeros y más resistentes, aparecen los sistemas electrónicos de regulación y control. (Renovables, Energías Renvables para el Hogar, 2011) El primer paso fue el diseño y la fabricación de una máquina experimental de 100 KW (figura 19), para luego proyectar grandes aerogeneradores con potencias del orden del Megavatio (MW). 24

25 La máquina, está formada por una Aero-turbina de tres palas de fibra de vidrio y poliéster de 20 m de diámetro, con una potencia de 100 KW, para una velocidad de viento de 12 m/s. Figura 19. Diseño de aerogenerador Como se puede observar, en el transcurso del tiempo, la energía eólica ha estado presente en una gama enorme de utilización donde se ha aprovechado en su totalidad con fines prácticos, donde ha tenido un resultado favorable para miles de las personas. El cambio y el estudio de la energía eólica han dado muchos cambios, donde la tecnología ha sido cada vez mejor y gracias a esto el rendimiento y la eficiencia de los sistemas eólicos ha evolucionado y mejorado en el paso de los años. 25

26 III. JUSTIFICACIÓN La Energía Eólica, se ha convertido en unas de las alternativas más eficaces para la generación de energía eléctrica de manera natural y limpia. Como sabemos es un método donde la investigación y el estudio son puntos fundamentales para realizar un correcto diseño del sistema, representando así la posibilidad de brindar un gran beneficio a mucha gente que hoy en día vive una problemática verdaderamente notable. Este innovador sistema de Generador Eólico proporcionará energía eléctrica de manera limpia, sin contaminar al medio ambiente, a comunidades que por largo tiempo no contaban con acceso a este recurso Permitirá mejorar el conocimiento que las personas puedan tener sobre este tipo de sistemas de generación. Se abarca este estudio considerando estos sistemas de generación como otra forma de obtener energía eléctrica, a partir del movimiento de grandes masa de aire, lo cual sucede en casi cualquier parte del mundo, en especial en el medio del mar. El estudio desarrollado tiene también la intención de mostrar que no es necesario deteriorar y contaminar el medioambiente para obtener recursos que solo tenemos por comodidad y recalcar que por lo contrario es necesario desarrollar proyectos que aprovechen los recursos renovables disponibles y determinar acciones para el cambio de conciencia social. 26

27 IV. OBJETIVO Objetivo general: Determinar cuantitativa y cualitativamente los aspectos dimensionales, parámetros eléctricos y capacidad de generación, mediante investigación, estudio y análisis para la elaboración de un diseño de un Sistema de Generación Electro Eólico Conectado la Red de distribución Objetivos específicos: Investigar características eléctricas de la conexión a la Red. Realizar un análisis de la velocidad del viento, límites de potencia, disponibilidad, energía anual generada, etc. Dibujar un Aerogenerador Eólico demostrativo. (Software de diseño en 3D) 27

28 V. ALCANCE El alcance de este proyecto, será determina los aspectos y características principales a tomar en cuenta para un correcto diseño de un sistema electroeólico conectado a la red. En un periodo del 13 de Mayo 2014 al 27 de Agosto del Realizar una investigación sobre los sistemas eólicos conectados a la red, tomando en cuenta características de conexión. Investigar el funcionamiento técnico de las partes que componen los generadores eólicos, fabricación de las palas del sistema, así como el modelo dinámico del aerogenerador. Realizar una distribución anual de viento, energía anual generada, rangos de velocidad, comportamiento de las curvas respecto al funcionamiento del aerogenerador. Dibujar un Aerogenerador Eólico demostrativo. (Software de diseño en 3D) 28

29 VI. ANÁLISIS DE RIESGOS En relación a los alcances mencionados al inicio del proyecto, describo de forma resumida los problemas con los cuales me encontré al realizar cada uno de ellos. a) Realizar una investigación sobre los sistemas eólicos conectados a la red, tomando en cuenta características de conexión: Una de las problemáticas que tuve en la investigación sobre las características de conexión con respecto a los sistemas eólicos, fue el tiempo, ya que existen una gama grande de tipos de conexión a la red, esto dependiendo del sistema eólico con el cual se trabajara, encontrando así diferentes maneras de combinación de los cuales abarca, los sistemas de velocidad variable paso variable, velocidad variable paso fijo, paso fijo velocidad fija, paso fijovelocidad variable, entre otras. Para lo cual se recomienda un estudio enfocado a la investigación de estos sistemas. b) Realizar un estudio estadístico de la distribución anual de viento, energía anual generada, rangos de velocidad, comportamiento de las curvas respecto al funcionamiento del aerogenerador. Para el análisis de las curvas de vientos, y de los parámetros de los cuales se estudió, se pudieron llevar a cabo al término del proyecto, sin embargo cabe mencionar que para la obtención de los resultados, me encontré con una 29

30 dificultad respecto a las ecuaciones matemáticas con las cuales se trabajó además del estudio el cual se llevó acabo antes de realizar el análisis, el cual hablando generalmente se necesita más de 4 meses para llevar un estudio más concreto. c) Dibujar un Aerogenerador Eólico demostrativo. (Software de diseño en 3D). Y por último el mayor problema el cual tuve fue realizar un diseño en un software completamente nuevo para mí, lo cual me llevo un cierto tiempo de poder manejar las herramientas no en su totalidad, poder entender de una manera clara el manejo del programa para poder llegar al punto de trabajar de una manera y cumplir con la última parte de proyecto. Generalmente hablando de la Energía Eólica, actualmente es una forma de generar energía y que es considerada una de las más eficaces y limpias, lleva un tiempo mayor a 4 meses para tener un panorama y un conocimiento mayor sobre los sistemas eólicos y todo lo relacionado a este tipo de energía alternativa. Es por eso que el tiempo en el cual se trabajó, pudo llegar a convertirse en un problema no mayor para poder cumplir con los alcances. 30

31 VII. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. La Energía Eólica, es la Energía Cinética del aire en Movimiento (Energía en movimiento) dada por, Dónde: = Energía Cinética = masa v= velocidad En la superficie terrestre, el movimiento de las masas de aire se debe principalmente a la diferencia de presiones existentes en distintos lugares, moviéndose estas desde las regiones de alta a las regiones de baja presión (figura 21). Este tipo de viento se llama viento geoestrófico. Al igual que la mayoría de las fuentes de energía renovables La energía eólica, proviene del sol, ya que, en general, es la radiación solar concentrada en 31

32 distintas zonas geográficas de la tierra las que produce estas diferencias de presiones que originan la circulación del aire. (Forchetti, 2013) Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar. De toda la energía que llega del sol a nuestro planeta, entre el 1% y 2% se convierte en movimiento de grandes masas de aire. De día, las masas de aire sobre los océanos, los mares y los lagos se mantienen frías con relación a las áreas vecinas situadas sobre las masas continentales. Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviano y se eleva. El aire más frío y más pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente. (Energía, 2014) Figura 21. Movimiento del aire 32

33 La energía del viento es aprovechada mediante el uso de una turbina más un generador, capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente algún mecanismo (bombeo de agua en sistemas multi-pala), como para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador. Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el viento (turbina eólica). Sus precedentes directos son los molinos de viento que se empleaban para la molienda y obtención de harina. (Energizar, 2011) En este caso, la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento, proporciona energía mecánica a un rotor hélice que, a través de un sistema de transmisión mecánico, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica (figura 22). Figura 22. Esquema básico, generación de energía eléctrica 33

34 Para poder hacer un correcto aprovechamiento de un emplazamiento eólico es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad máxima del viento para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende de la turbina que se vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada "cut-in speed", y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada "cut-out speed". (Renovables, Energías Renvables para el Hogar, 2011) Tipos de turbinas eólicas. Los tipos de turbinas eólicas se clasifican de acuerdo a su disposición en dos grandes bloques, según sea el eje vertical u horizontal. Dentro de las turbinas de eje vertical, se destacan los siguientes diseños: la turbina de rotor tipo Savonius, cuya sección recta tiene forma de S y la turbina de rotor tipo Darrieus integrada por varias palas unidas por sus extremos al eje vertical, estando arqueadas en una forma similar a la que tomaría una cuerda girando alrededor del eje. En la figura 23, se muestran dos de los diseños de turbinas eólicas de eje vertical más comunes. 34

35 Figura 23. Generadores de Eje vertical (Izq. Savonius, Der. Darrieus). En las turbinas de eje horizontal el número de palas puede ser: una, dos, tres, o multi-pala (15-20) como se muestra en la figura 24. Las primeras son más adecuadas para velocidades de viento altas y son denominadas rápidas, mientras que las multi-pala lo son adecuadas para bajas velocidades de viento y se denominan lentas (Una clasificación más adecuada sería en función de un coeficiente llamado Tip Speed Ratio o velocidad de punta de pala. Figura 24. Generadores de Eje Horizontal, Izq. Tri-pala, Der. Multi-pala 35

36 Al momento de seleccionar una turbina eólica para una determinada aplicación dos factores son fundamentales: primero el régimen de vientos disponible, que va fijar que tipo de máquina es la que mejor puede aprovechar las corrientes de viento incidentes y segundo, la energía que se desea obtener en un periodo de tiempo dado, y que determinará el área que debe barrer el rotor y, en definitiva, el tamaño de la máquina, como se muestra en la figura 25, el régimen de vientos disponibles para dos tipos de turbinas, ya sea Multi-pala o Tri-pala. Figura 25. Régimen de vientos Cabe mencionar que las turbinas de eje horizontal poseen varias ventajas sobre las de eje vertical, entre ellas: mayor rendimiento, la superficie de la pala es menor que en los modelos de eje vertical para una misma área barrida y la sujeción de los modelos Darrieus impiden elevar la turbina tanto como en los modelos de eje horizontal. Esto último da lugar a que con una misma área barrida se obtenga menor potencia en los de tipo Darrieus, por aprovecharse menos el aumento de la velocidad del viento con la altura. (Curti, 2013) 36

37 Características de conexión de los sistemas eólicos conectados a la Red. La evolución de la energía eólica se ha dirigido en los últimos años a sistemas conectados a la red. Esto mejora la economía global y la disponibilidad de cargas de las plantas renovables; los dos factores más importantes de cualquier sistema de energía. La red de distribución suministra energía al lugar de conexión cuando hace falta, o absorbe el exceso de energía producido cuando está disponible. Un medidor de kwh se utiliza para registrar la energía transmitida a la red, y otro medidor de kwh se usa para registrar la energía absorbida de la red. (Electronica, 2009) En las instalaciones que contemplan grandes sistemas eólicos, la tendencia actual es usar diseños de velocidad variable. La salida del generador de frecuencia variable primero se rectifica a DC, y luego se invierte en AC de frecuencia fija. Antes de la inversión, los armónicos del rectificador se filtran en DC por el inductor y condensadores. La referencia de frecuencia para el encendido del inversor y la referencia de voltaje para el control del ángulo de fase del rectificador son tomados de las líneas de la red (figura 26). El valor de referencia del ratio punta-velocidad se almacena y continuamente compara con el valor computado de las velocidades del viento y el rotor. La velocidad de la turbina cambia para asegurar la máxima producción de energía en cualquier momento. (Toledo, Aromataris, & Perrone, 2009) 37

38 Figura 26. Esquemas de Sistema eólico conectado a la Red Los requerimientos de interface con la red en los sistemas se producen desde los terminales del interruptor automático de sincronización al extremo de salida del inversor. El flujo de energía en cualquier dirección depende del voltaje del sitio en los terminales del interruptor automático. Los requerimientos fundamentales en el voltaje del sitio para interactuar con la red son los siguientes: 38

39 La fase y magnitud del voltaje deben ser iguales a lo requerido por la magnitud deseada y dirección del flujo de energía. El voltaje es controlado por el ratio de transformación del transformador y/o el ángulo de encendido del rectificador/inversor en un sistema de control en bucle cerrado. Para que el sistema trabaje, la frecuencia debe ser exactamente igual a la de la red. Para cumplir exactamente los requerimientos de frecuencia, el único medio efectivo es usar la frecuencia de la red pública como referencia para la frecuencia de conmutación del inversor. (TodoPrductividad, 2004) En el sistema eólico, los generadores síncronos del sistema de la red suministran corriente magnetizante para el generador de inducción. Tomando el sistema eólico, el proceso de sincronización específicamente funciona como: Con el interruptor automático de sincronización abierto, el generador de energía eólica es llevado para acelerar usando la máquina en modo motor. Cambiar la máquina a modo de generación, y ajustar los controles de forma que los voltajes del sitio y de la red se acoplen a los requerimientos anteriores en todo lo que sea posible. El acoplamiento se controla por tres lámparas de sincronización o sincroscopio, una en cada fase. El voltaje a través de las lámparas en cada fase es la 39

40 diferencia entre el voltaje del sitio renovable y el voltaje de la red en cualquier instante. Cuando el voltaje del sitio y de la red es exactamente iguales en las tres fases, las tres lámparas se quedan oscuras. Sin embargo, no es bastante para las lámparas estar oscuras en un instante. (IEEEXplore, 2012) Esta condición se cumplirá solamente si los voltajes del generador y de la red están a la misma frecuencia. Si no, uno de los dos voltajes trifásicos rotará más rápido relativo al otro, y la diferencia entre los dos voltajes se notará en la iluminación de las lámparas. El interruptor automático de sincronización se cierra si las lámparas quedan oscuras ¼ o ½ segundo. Siguiendo al cierre, pequeños desacoplamientos entre el voltaje del sitio y el voltaje de la red circularán la corriente de afluencia entre los dos de forma que los dos sistemas tengan una operación síncrona perfecta. (Electronica, 2009) Estructura de Control (Conectado a la Red). La estructura de control del sistema eólico conectado a una Red, consta de tres niveles, los cuales se clasifican del nivel Superior, Intermedio e Inferior. En el primer nivel, (Nivel superior) SUPERVISIÓN: se puede encontrar; el monitoreo del estado de la turbina, el monitoreo del recurso eólico y el monitoreo del estado de carga. En el segundo nivel, (Nivel Intermedio) 40

41 CONTROL DE LA TURBINA: consta del control de la velocidad óptima (גT ) y el control de paso (β) y por último (Nivel Inferior) CONTROL INTERNO: Control de actuadores de paso y control de generador. Se puede obtener dos formas de tener una conexión a Red, existen las conectadas a red (Fuertes) (Co-Generación) y las conexiones a Red llamadas (Débil) (Distribuido), (figura 27). (Forchetti, 2013) Figura 27. Estructura de Control, Izq. Co-Generación, Der. Distribuido Conectadas a una RED (fuerte), (Co-Generación) Inyectar Potencia Activa (P). Inyectar Potencia Reactiva (Q) Conectadas a una RED (débil), (Distribuido) Colaborar con la regulación de Frecuencia (P) Colaboración con la regulación de Tensión (Q) 41

42 Existen diferentes tipos de configuraciones en la conexión a la red, (figura 28), donde se puede obtener un aprovechamiento de la energía, donde las configuraciones van con un rango de 100%, donde se tiene una salida de conexión a la red, y un aprovechamiento del 70% de energía directo del estator y un 30% del rotor directamente, teniendo una salida a red de tres salidas. Figura 28. Esquema de Configuraciones más utilizadas 42

43 Sistemas de Conexión a la Red. Conexión directa de aerogeneradores a la red: Con la conexión directa a la red es posible que la turbina gire dentro de una amplia gama de velocidades de viento. Hoy en día en el mercado se ofertan turbinas con un deslizamiento de hasta un 35%. Existen dos tipos de sistemas de aerogeneradores, los de velocidad Variable y velocidad Constante: Si el aerogenerador funciona a velocidad variable, la frecuencia variará ampliamente, como se muestra en la figura 29: Figura 29. Tipos de señal eléctrica. La corriente alterna necesita, ser transformada para emparejar su frecuencia a la de la red pública. Hay tres pasos importantes en estos sistemas: generador, corriente directa DC-rectificador y corriente alterna AC-inversor. (Fernandez, 2009) 43

44 El primer caso es convertir la corriente fluctuante en DC. A continuación la DC se invierte a la AC con exactamente la misma frecuencia a la de la red pública. Y por último el inversor produce clases diferentes de armónicos que se tienen que filtrar antes de alcanzar la red pública. Generación de corriente alterna AC a frecuencia variable: La mayoría de los aerogeneradores funcionan a una velocidad casi constante con conexión directa a la red. Sin embargo con conexión indirecta a la red, el aerogenerador funciona en su propia mini red de corriente alterna que está controlada electrónicamente, (utilizando un inversor), por lo que se puede variar la frecuencia de la corriente alterna en el estator del aerogenerador. De esta forma la turbina funciona a una velocidad de giro variable y se genera corriente alterna exactamente a la frecuencia variable aplicada al estator. El generador puede ser síncrono o asíncrono y si tiene muchos polos la turbina, puede tener una caja multiplicadora o en algunos caso no. (Electronica, 2009) Conversión a corriente continua CC: La corriente alterna de frecuencia variable no se puede tratar en la red, por lo que previamente habrá que rectificarla, invirtiéndola en corriente continua CC) La conversión de corriente alterna de frecuencia variable continua se puede hacer utilizando tiristores o grandes transistores de potencia. 44

45 Conversión a corriente alterna de frecuencia fija: La corriente continua (fluctuante), se convierte en corriente alterna (utilizando un inversor) de la misma frecuencia que la de la red pública. Ventajas de conexión indirecta a la red, velocidad variable: las ventajas de conexión a la red es que permite hacer funcionar la turbina eólica a velocidad variable. Permite que el rotor gire más rápido durante las ráfagas de viento, almacenando parte del exceso de energía en forma de energía rotacional hasta que haya pasado la ráfaga. (IEEEXplore, 2012) Sin dejar de mencionar que requiere de una estrategia de control, ya que tiene que distinguir entre ráfagas y alta velocidad del viento. Otra ventaja es que con la electrónica de potencia, se puede controlar la potencia reactiva, es decir el desfase de la corriente respecto a la tensión de la red de corriente alterna, y así mejorar la calidad de potencia de la red. Esto es particularmente útil en aerogeneradores funcionando en una red eléctrica débil. Aerogeneradores de Velocidad Constante. En los aerogeneradores de velocidad constante, pala fija y regulación por stall, equipados por generador de inducción asíncrono rotor jaula de ardilla conectado directamente a la red, sin convertidor, es necesario utilizar una caja multiplicadora y un compensador de reactiva para reducir la demanda de potencia reactiva a la red (figura 30), para compensar el consumo de reactiva van con un campo de condensadores. (Leidhol, García, & Inés, 2012) 45

46 Figura 30. Aerogenerador de velocidad constante. Comportamiento respecto a la red: Estas aeroturbinas transmiten las variaciones de potencia del viento a la red sin amortiguar, por lo que la potencia de salida de la red es muy variable, con fuertes picos en caso de ráfagas de viento. La regulación de la frecuencia de la velocidad de giro es solo posible si se puede cambiar el número de polos de la maquina o en este caso se tienen dos generadores, en donde uno de ellos sea para vientos medios y altos, y el segundo para vientos bajos. (López, 2007) Lo mismo sucede con la regulación de la tensión ya que siempre está consumiendo reactiva, pudiéndose regular solo un pequeño margen con la batería de condensadores para obtener un factor de potencia próximo a la unidad. 46

47 Ante los huecos de tensión reacciona aumentando la velocidad de giro de las palas ya que el par eléctrico resistente reduce con el cuadrado de la tensión al disminuir esta por el hueco. Para evitar el embalamiento de la máquina, esta se desconecta para protegerla de la sobre velocidad. Sin embargo si la duración del hueco es pequeño, por despejarse rápidamente la falta que lo ha producidos, se aplica de nuevo el par resistente eléctrico frenándose la máquina. El tipo de falta, es decir su severidad y grado de generación eólica (magnitud de viento) en el momento de producirse el hueco, influyen en la aceleración que adquiere el aerogenerador, por ser diferentes los pares eléctricos y mecánicos producidos. (Electronica, 2009) Aerogenerador de Velocidad Variable. El estator esta acoplado directamente a la red a través de un transformador, el rango de variación de la velocidad del generador es en uno de cuatro polos, desde rpm (figura 31). La caja multiplicadora es de tres etapas, con una relación de multiplicación 1/60. El control de la potencia es más exacto ya que se recurre a una regulación activa, variando el ángulo de paso, o variando la velocidad optimizando la energía extraída del viento a distintas velocidades. Con el uso de convertidores (ya sean pequeños convertidores que controlan la corriente excitación, como convertidores para toda la potencia del generador) se pueden controlar las 47

48 corrientes de las dos partes del convertidor, el lado del rotor (rectificador) y el lado de la red (inversor), controlando la energía activa y reactiva descargadas en la red, mejorando la interacción con la red respecto a las condiciones de régimen permanente, la calidad de suministro y la estabilidad de tensión y fase. (IEEEXplore, 2012) Figura 31. Aerogenerador de Velocidad Variable. Comportamiento respecto a la Red: La turbinas de velocidad variable y generador doblemente alimentado (DFIG) tienen unas posibilidades de control mayores. La regulación de tensión se puede hacer actuando sobre la parte del convertidor conectado a la red controlando su corriente. Este consiste en un DFIG cuyo circuito de estator está directamente conectado a la red de potencia y el circuito de rotor conectado a través de un convertidor fuente de voltaje (VSC) back-to-back, que actúa como variador de frecuencia. La doble alimentación se refiere a que la tensión del estator es obtenida de la red y la tensión del rotor desde el convertidor estático (Fernandez, 2009) 48

49 La regulación de la frecuencia es posible actuando sobre la parte del convertidor del lado del rotor, que hace variar el par, y por consiguiente la potencia entregada, sin embargo su capacidad para poder soportar huecos de tensión es limitada, ante huecos importantes se deberá desconectar a la red. Existen soluciones para evitar esta desconexión en base al uso de IGBT, sobredimensionados y a separar transitoriamente el estator de la red mediante un dispositivo electrónico, lo que evita que se reflejen las corrientes estatoricas elevadas en el rotor por efecto transformador. También se puede cortocircuitar el rotor por medio de un dispositivo llamado active crowbar con dos disposiciones de diodos o tiristores situados entre el rotor y la parte del convertidor conectado a él, con lo que se evita que las elevadas corrientes del rotor entren en el convertidor y posteriormente una vez que se detecta que se han alcanzado valores normales, volver a conectar el convertidor. (Energuia, 2002) Instalaciones en Parques Eólicos (Terrestres). Las instalaciones eólicas conectadas a la red, conocidas como parques eólicos, disponen de aerogeneradores que miden 80 o 90 metros y pueden instalarse en tierra. En este caso, en el que se vierte a la red la energía generada, las potencias de los aerogeneradores han experimentado un enorme cambio en las últimas décadas, pasando de potencias de alrededor de 100 kw en la década de los 80, a los ya comúnmente instalados de 2 MW. Además, existen ya en el 49

50 mercado máquinas de potencias superiores, de hasta 4,5 MW, que se están implantando en los nuevos parques eólicos. (Energizar, 2011) Los aerogeneradores se pueden dividir en dos grandes grupos (figura 32), por su tamaño y fin para el que se instalan: Grandes Aerogeneradores: Aunque en sus orígenes la energía eólica se inició con aerogeneradores de kw, actualmente se instalan unidades entre kw, siendo las de kw las más utilizadas. En ambos casos se utilizan conectados a la red de distribución, en media tensión, instalados en Parques Eólicos. Pequeños aerogeneradores: De potencias inferiores a 100 kw. Se utilizan para instalar en combinación con otro tipo de energías, sobre todo con solar fotovoltaica y en instalaciones sin conectar a red o conectadas a redes en baja tensión. (Energuia, 2002) Figura 32. Generadores de Media tensión (Izq.) y Baja tensión (Der.}. 50

51 Un parque eólico es un conjunto de aerogeneradores conectados entre sí a baja tensión (figura 33), que mediante la acción del viento, transforman la energía cinética en energía eléctrica y que, después de ser transformada en alta tensión, se conectará a la red eléctrica. Este tipo de instalaciones está produciendo electricidad que se vende a las compañías eléctricas. La realización de parques eólicos exige emplazamientos, donde las características del viento cumplan una serie de condiciones respecto a la velocidad, la continuidad y la estabilidad. Normalmente, son necesarias velocidades medias anuales del viento superior a los 6,5 m/s. La distribución y situación de los aerogeneradores en un parque eólico depende de la orografía del terreno y de las direcciones predominantes del viento en la zona. Los aerogeneradores se sitúan linealmente, siguiendo el perfil de la cima, y se orientan según las condiciones del viento. La distancia entre aerogeneradores, aunque depende de la dirección del viento, se mantiene entre 2 y 3 veces el diámetro de las palas. (Fenosa, 2002) Figura 33. Esquema de funcionamiento de parque eólico 51

52 Instalación Eléctrica. Al contrario de lo que sucede con otras fuentes de energía (gas, petróleo, carbón), la energía eléctrica no se puede almacenar en grandes cantidades. La electricidad demandada en cada momento tiene que producirse de forma simultánea en centros de generación; para ello se necesita un equilibrio complicado y permanente entre generación y consumo, y una red de transporte que distribuya esa demanda. (Rodriguez, 2000) El sistema eléctrico de un parque eólico tiene por objeto la transferencia de la energía producida por cada aerogenerador hacia la red de la compañía eléctrica que suministre a las poblaciones más cercanas. Se puede generalizar que el sistema eléctrico de un parque eólico comercial, actualmente, está compuesto por los siguientes elementos, (figura 34): Instalación eléctrica de Baja Tensión (BT): Puede ser interna a cada aerogenerador, o bien externa. Red subterránea de Media Tensión (MT): Que conecta a los aerogeneradores entre sí y a la subestación del parque eólico. Evacuación en Alta Tensión (AT): La forma más eficiente de evacuar la energía producida por el parque eólico es la Alta Tensión, de modo que se disminuyan las pérdidas a causa de caídas de tensión por resistencia y reactancia. (Fenosa, 2002) 52

53 Figura 34. Instalación de Baja, Media y Alta tensión. 1) El primer caso consiste en unos circuitos internos al equipo y que conectan la salida del generador con el centro de transformación, también interno, y que eleva el potencial eléctrico de salida desde Baja Tensión (unos 690 V) hasta Media Tensión (20 kv). Este trasformador suele ser de tipo seco, al estar localizado dentro de la torre. 2) En el segundo, el trazado de la red de MT se basa en la disposición de los aerogeneradores y es aconsejable que la zanja del cableado transcurra paralela a los caminos de acceso a dichos molinos. La profundidad de los cables, que habitualmente se instalan directamente enterrados en las zanjas, suele ser algo superior a un metro. 3) El tercer caso, las condiciones técnicas de conexión de un parque eólico a la red pública de distribución de electricidad tendrán en consideración la tensión nominal y máxima de servicio, potencia máxima de cortocircuito admisible, capacidad de transporte de la línea, tipo de red aérea o subterránea, sistema de puesta a tierra, etc. Excepcionalmente, 53

54 y dependiendo de la distancia de la subestación de distribución hasta el punto de entronque con la red general, la conexión mediante línea de AT. (Rodriguez, 2000) Características de Generadores conectados a la red. La aplicación más frecuente de las actuales turbinas eólicas es la generación de electricidad. Para esto es indispensable la utilización de un generador eléctrico. Todo tipo de máquinas eléctricas pueden ser utilizadas para la generación de potencia eólica. Factores técnicos y económicos definen qué tipo de maquina deben utilizarse en cada aplicación. Para pequeñas potencias (<20 kw), la simplicidad y bajo costo de los generadores sincrónicos de imán permanente (PMSG) explican su extensa utilización. En aplicaciones desde los 20 kw hasta los 2 MW el generador de inducción (IG) es más común y más económico. Generador de Inducción (IG): El generador de inducción es ampliamente utilizado en medianas y grandes turbinas eólicas pues tiene las características de robustez, simpleza mecánica y bajo precio, por economías de escala, dada su producción en serie. Su mayor desventaja es la necesidad de la corriente reactiva magnetizante en el estator. 54

55 Generador de Inducción con Jaula de Ardilla (SCIG): Hasta ahora, el SCIG es la elección prevaleciente debido a su simplicidad, alta eficiencia y bajos requerimientos de mantenimiento. La demanda de potencia reactiva es compensada generalmente con la conexión de condensadores en paralelo al generador o por la inclusión de equipos electrónicos de potencia. Generador de Inducción con Rotor Bobinado (WRIG): Las características eléctricas del rotor del WRIG pueden controlarse exteriormente, por lo que la tensión aplicada al rotor se materializa a través de un sistema de anillos y escobillas. Gracias al equipamiento electrónico de potencia, la energía se puede extraer o aplicar al circuito de rotor y el generador puede magnetizarse por el circuito del estator o del rotor. Es posible también recuperar energía del circuito del rotor hacia la salida en el estator. La doble alimentación se refiere a que la tensión del estator es obtenida de la red y la tensión del rotor desde el convertidor estático. Este sistema permite una operación de velocidad variable en un amplio pero específico rango. El convertidor compensa la diferencia entre las frecuencias mecánica y eléctrica inyectando una señal de rotor de frecuencia variable. 55

56 Generador Sincrónico: La ventaja del generador sincrónico por sobre el IG es que no necesita corriente magnetización desde el estator. Cabe mencionar que el rotor debe ser alimentado por una corriente de continua. El campo magnético del generador sincrónico puede crearse mediante imanes permanentes o por un bobinado de excitación convencional. Si el generador tiene un número suficiente de polos, puede utilizarse para aplicaciones de conexión directa que no necesitan de caja multiplicadora/ reductora. Es probablemente mejor adaptado para la conexión indirecta a la red mediante un convertidor electrónico de potencia, lo que permite la operación a velocidad variable. Para pequeñas unidades el uso del generador de imanes permanentes es más simple y barato. Por sobre ciertas potencias, la máquina sincrónica es más costosa y complicada que un generador asincrónico de tamaño equivalente. Modo de operación de un DFIG La operación por conexión directa a la red hace que el WRSG rote a velocidad fija, dada por la frecuencia de la red y el número de polos de la máquina. La excitación es realizada por el sistema de anillos y escobillas o por un sistema sin escobillas (brushless) con un rectificador rotatorio. El sistema multipolar sin engranajes de la operación a velocidad variable conexión indirecta a la red implica la utilización de un generador voluminoso y pesado y un convertidor de potencia ad hoc a la potencia total del sistema. 56

57 Generador Sincrónico de Imanes Permanentes (PMSG): La propiedad de auto-excitación del generador a imanes permanentes, le posibilita la operación a un alto factor de potencia, con alta eficiencia, haciéndolo propicio para su aplicación en sistemas de generación eólicos. De hecho, en el rango de pequeñas turbinas, su bajo costo y simplicidad hacen del PMSG el más ampliamente utilizado. Sin embargo, en aplicaciones de mayor potencia, los imanes y la necesidad de un convertidor estático capaz de manejar toda la potencia de generación lo hacen menos competitivo. Otros Generadores: Debido a que habitualmente las turbinas conectadas a la red de potencia necesitan de un transformador elevador, se está evaluando la utilización de generadores de alto voltaje, lo que, para un mismo valor de potencia, permite reducir las corrientes y consecuentemente las pérdidas por Ri² tanto en la máquina rotatoria como en el transformador. Para esta alternativa, las estructuras sincrónicas y de inducción, son opciones interesantes para turbinas de más de 3 MW, no obstante su elevado costo, problemas de seguridad y de vida útil limitan su comercialización. Las características del generador a reluctancia conmutada (SRG) son la robustez, estructura simple, alta eficiencia, costos reducidos y la posibilidad de eliminar la caja de engranajes. 57

58 Sin embargo, su adaptación a las turbinas eólicas no ha sido estudiada en detalle. Presentaría las desventajas de poseer una menor densidad de potencia y menor eficiencia que un PMSG, e igualmente necesitaría de un convertidor que trabaje a plena potencia. Generador de flujo transversal (TFG): Una alternativa interesante que, sin embargo, aún estaría insuficientemente estudiada para su aplicación en sistemas de generación eólicos. Permitiría un número importante de polos, para una aplicación sin caja de cambios, pero la cantidad importante de componentes y una tecnología aún no desarrollada limitan su actual utilización. Instalaciones de Parques Eólicos (Marinos). Los parques eólicos situados en el mar, conocidos internacionalmente como offshore, son una forma cada vez más utilizada de aprovechar la energía renovable del viento. Hoy en día el mar abre nuevas oportunidades para la energía eólica, sobretodo porque el viento circula a velocidades muy elevadas, y las economías de escala permiten la instalación de turbinas de tamaño superior. (Portal.net, 2010) La tecnología de las turbinas eólicas de los parques marinos se basa en los mismos principios que la de los terrestres. Se construyen bases de hormigón para sostener la estructura de las turbinas, que puede ser de diversos diseños. 58

59 La parte superior de esta base se pinta de un color brillante para hacerla visible a los barcos, e incluye una plataforma de acceso para facilitar el mantenimiento de los equipos, (figura 35). El viento en zonas marinas es menos turbulento que en tierra, lo que se traduce en menores vibraciones en las máquinas y en el alargamiento de la vida útil respecto a parques terrestres. La radiación solar es capaz de penetrar varios metros bajo la superficie del mar, de modo que la temperatura del agua es menor que la alcanzada por una superficie sólida, terrestre, sometida a la misma radiación. Se registra así menos diferencia de temperatura entre el mar y la capa de aire en contacto con él, traduciendo este efecto en menores turbulencias por gradientes térmicos manos acusados. (Rodríguez, 2013) Figura 35. Parque eólico marino. 59

60 Técnicas de anclaje y cableado. La ejecución de las cimentaciones son: responsables de que las instalaciones hayan resultado muy costosas. No obstante los grandes aerogeneradores con cada vez mayor potencia unitaria, unidos a nuevas técnicas de obra civil, permiten en la actualidad rivalizar en costes con la energía eólica de parques terrestres en términos competitividad. Esta circunstancia se manifiesta especialmente en aguas poco profundas. Los costes son indudablemente más altos, pero la producción por maquina puede llegar a ser un 25% mayor que en las instalaciones terrestres.los costes de cimentación y los asociados a la conexión a red, para turbinas de potencia superior a 1,5 MW representan un incremento de apenas un 10 o 20%, respecto a los costes requeridos por máquinas de kw. (Eólica), 2009). Cabe mencionar que existen tres tipos de cimentaciones para las instalaciones de aerogeneradores en parques marinos, (figura 36), esto depende de la profundidad del agua y de las ubicaciones de los aerogeneradores. Se divide en Aguas pocas profundas, Aguas de profundidad media y Aguas profundas. 60

61 Figura 36. Tipos de cimentaciones. Aguas pocas profundas: Con profundidades inferiores a 20 metros, en ellas se emplean dos tipos de cimentaciones representativas; cimentación por base de gravedad y cimentación por monopilote enclavado. Estas cimentaciones emplean su propio peso para garantizar la verticalidad de las máquinas. Se construyen en diques secos ubicados en las proximidades del emplazamiento del parque y se desplazan a estos antes de ser rellenados de grava y arena para obtener el peso del diseño, (figura 37). (Lorenzo, 2004) 61

62 Figura 37. Cimentaciones, Izq. Monopilote enclavado, Der. Por gravedad. La estructura del Monopilote, resulta de la prolongación del fuste de la torre del aerogenerador bajo la superficie hasta la zona del lecho marino, descendiendo bajo éste a una cota de 10 o 20 metros, según el tipo de terreno. Mientras tanto es norma general en los parques eólicos marinos el empleo de cimentaciones por gravedad, con una combinación de hormigón y acero, con un peso final de cimentación de 1000 toneladas, con profundidades de 4 a 10 metros. Aguas de profundidad media: Denominadas como tales cuando la profundidad se encuentra comprendida entre los 20 y los 50 metros, se emplean entre ellas cimentaciones tipo trípode y trípode alternativo. (figura 38). (Catejón, 29008) 62

63 Figura 38. Cimentaciones, Izq. Trípode, Der. Trípode alternativo. Estas cimentaciones tienen origen es las instalaciones petrolíferas. Con punto de partida en una prolongación de fuse de la torre de la turbina, introducida de 10 a 20 metros en el lecho marino, en función de las condiciones del terreno y esfuerzos por hielo y olaje. En caso del trípode alternativo con profundidades 6 o 7 metros dado el riesgo de colisión de las embarcaciones de servicio que se aproximen a la torre y la principal ventaja de una estructura de este tipo es su adecuación a grandes profundidades. (Aerogeneradores Marinos, 2001) Aguas profundas: En estas se presentan profundidades superiores a los 50 metros. Se emplean cimentaciones semi-flotantes muy similares a las empleadas en las instalaciones petrolíferas de extracción, en las cuales el aerogenerador se sustenta por una plataforma flotante o semihundida que se fija al lecho marino mediante tensores de acero. 63

64 El cableado subterráneo que conecta los parques marinos a la red eléctrica principal es una tecnología muy conocida. Los cables submarinos tendrán que ser enterrados para reducir el riesgo de daños ocasionados por equipos de pesca, anclas, etc. (figura 39). Si las condiciones del fondo lo permiten, será más económico hundir los cables en el lecho marino (utilizando chorros de agua a presión) que enterrarlos en el fondo del mar. Los cables submarinos llevan la energía a un transformador que la convierte a alto voltaje (habitualmente, entre 33 y 132 kv) antes de llevarla a la red de distribución. (Ecofield, 2013) Figura 39: Cableado subterráneo Singularidades de la conexión a red. La subestación se dispone sobre una plataforma que recoja la producción de las turbinas y eleve la tensión al valor adecuado para el transporte (figura 40). Junto con esta subestación figuran otras instalaciones de servicio. La gran capacitancia de los cables eléctricos tiene la ventaja del suministro de potencia reactiva a los parques eólicos. Figura 40. Subestación de un Parque Eólico Marino 64

65 Es importante que en este tipo de instalaciones dispongan de un sistema de ajuste de la potencia reactiva de acuerdo con las condiciones de la red. Una posibilidad alternativa es emplear conexiones en corriente continua en alta tensión (HVDC), cuando la distancia a la costa es considerable. (Eólica), 2009) Conexión de parque eólico marino. La conexión de una planta de generación renovable a la red pública, (figura 41), introduce límites de operación de dos formas, la regulación del voltaje y el límite de estabilidad. En la mayoría de los casos, la línea puede considerarse como una línea de transmisión corta. La capacitancia de tierra y la resistencia de pérdida de tierras son generalmente despreciables y son ignoradas. Tal aproximación es válida en líneas de hasta 75 km de longitud. La línea transporta energía del sitio renovable a la red pública, o de la red al sitio renovable para cumplir la demanda local. Hay dos efectos principales en la impedancia de la línea de transmisión, uno en la regulación del voltaje y otro en la máxima capacidad de transferencia de energía de la línea de conexión. Figura 41. Esquema representativo de conexión de parque eólico marino 65

66 VIII. PLAN DE ACTIVIDADES Tabla 1. Cronograma de actividades. 66

67 IX. RECURSOS HUMANOS Y MATERIALES Para la elaboración del proyecto se llevó a cabo gracias a la ayuda de doctores, los cuales son miembros del Grupo de Electrónica Aplicada en la Universidad Nacional de Rio Cuarto, a la ayuda y apoyo de mi compañero de estadía, y alumno de la Universidad Tecnológica de Querétaro, así como de mi tutora de la Universidad Tecnológica de Querétaro. Dr. Daniel G. Forchetti. Dr. Marcelo Roberto Curtí. Dr. Guillermo O. García. M. en I. Clara Cardona Martínez. Alumno: José Armando Aguilar Uribe. Además de las Instalaciones del Laboratorio del Grupo de Electrónica Aplicada (GEA), en la Facultad de Ingeniería, donde se llevó a cabo todo el proceso de investigación del proyecto. Computadora (Paquetería básica de Word.) Escritorio Libros Rhinoceros. (Software de diseño e 3D) X. 67

68 X. DESARROLLO DEL PROYECTO. Capítulo 1.- Investigación del funcionamiento técnico de las partes que componen los generadores eólicos. Un generador eólico o aerogenerador, es básicamente un gigantesco molino de viento conectado a un generador eléctrico que aprovecha la fuerza del viento para mover las aspas del molino y producir energía. A mayor caudal de viento mayor cantidad de giros hará la hélice del aerogenerador, produciendo más energía, (figura 42). Los aerogeneradores generalmente van conectados al sistema de interconexión eléctrica, de tal manera que se disponga de la energía generada que inmediatamente se produce. (Sstentador, 2009) Figura 42. Funcionamiento de los sistemas eólicos. 68

69 La energía producida por los aerogeneradores es completamente limpia, no produce ningún tipo de contaminación ni residuos, por lo que se considera uno de los sistemas de generación de energía más limpios que existen actualmente. Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o conectados entre sí formando un parque eólico, ya sea terrestre o marino. Funcionamiento técnico. En este punto del funcionamiento técnico, se muestran los elementos que forman parte del sistema de un aerogenerador eólico, explicando el funcionamiento de cada uno de ellos y su importancia en el sistema para obtener así un correcto diseño y un sistema el cual sea óptimo para su utilización. Dado que la velocidad de rotación de la turbina debe ser lo más constante posible y el viento no lo es ya que tiene ráfagas y huecos, (figura 43), que es imprescindible ir ajustando el ángulo de incidencia de las palas para ir compensando la variación en la velocidad del viento. El aire en movimiento impacta las palas y las hace rotar con los mismos principios que hacen posible que vuele un avión. (Forchetti, 2013) Figura 43. Dirección del viento a través de las palas de la turbina. 69

70 En un aerogenerador, uno de los elementos importantes es el buje, componente del rotor que une las palas con el sistema de rotación y constituye el centro del rotor, al cual se fijan los álabes, muchos de estos están fabricados de hierro o acero fundidos. El buje transmite la energía desde el rotor hasta el generador. Si la turbina eólica posee caja multiplicadora, el buje se conecta al árbol de baja velocidad de la caja multiplicadora, convirtiendo la energía del viento en energía rotacional. Si la turbina es de conexión directa, el buje transmite la energía directamente al generador, como se observa en la figura 44: (Ener. Ren., 2014) Figura 44. Izq. Buje de conexión directa, Der. Buje de conexión con caja multiplicadora. El buje puede ser de tipo rígido o basculante. En el buje rígido el conjunto de álabes se atornilla al buje y este se fija rígidamente al eje de giro. Se usa más en los rotores de tres palas, en los que el rotor está mejor equilibrado. Los bujes basculantes se emplean para reducir las cargas que se producen sobre él. 70

71 Este tipo de buje se emplea mayoritariamente en los rotores bipalas, ya que el pivoteo hace que se equilibren las cargas en cada revolución. (Dennis.ca, 2002) La mayoría de los fabricantes usan el buje rígido; esto lo hace más resistente, reduce el número de componentes móviles que pueden fallar y es relativamente fácil de construir. Además de contar con sistemas de control pitch, (figura 45) Figura 45. Buje rígido con actuadores pitch. Un sistema de control de pitch de aerogenerador, (figura 46) ubicados en la parte del rotor, tiene que cumplir dos funciones esenciales: en primer lugar, comportarse como un actuador para el control de potencia y de velocidad de cada pala del aerogenerador independientemente, cuando el viento supera los valores establecidos para el aerogenerador; en segundo lugar, comportarse como el actuador para el sistema de frenado del aerogenerador. Figura 46. Sistema de control pitch. 71

72 El sistema de Yaw alinea la góndola con la dirección del viento, determinada con una veleta instalada sobre el carenado (figura 47). Estos datos del viento proveen la base para los movimientos del Yaw, el cual es realizado mediante motores eléctricos ubicados sobre los dientes del rodamiento de Yaw, que vincula la torre y la base de la góndola. (Gustavo, 2013) Figura 47. Sistema de control Yaw. En el rodamiento principal se genera una diferencia de presiones que produce la fuerza necesaria para desencadenar el movimiento rotatorio en el eje principal del generador eólico (figura 48), Figura 48. Ubicación del eje principal en un sistema eólico. 72

73 El eje principal se acopla a una multiplicadora, (juego de engranajes) para que la rotación del eje a la salida de la multiplicadora sea apta para la generación eléctrica en el generador, de igual manera se pueden encontrar sistemas donde se opta por evitar el uso de la caja multiplicadora realizando el sistema utilizando un generador síncrono de imanes permanentes teniendo de esta manera el acople directo al rotor, como lo muestra la figura 49. (Curti, 2013) Figura 49. Izq. Caja Multiplicadora, Der. Generador Síncrono de Imanes Permanentes. Teniendo características diferentes al tener un sistema eólico ya sea utilizando cualquiera de los dos componentes mencionados, como lo muestra la tabla 1.1: Con Caja Multiplicadora Altos costos, Pesada y Ruidosa Sin Caja Multiplicadora Menos densidad de potencia (mayor peso y mayor volumen) 73

74 Necesita Mantenimiento Principal causante de problemas en los sistemas eólicos Mayor coste de generador Se evita la caja multiplicadora (menor peso y menor volumen) Tabla 1.1. Tabla de diferencias En el generador es donde se produce la electricidad, y su principio de funcionamiento es básicamente el de un motor eléctrico conectado de manera inversa. Si a un motor eléctrico se le entrega electricidad, este entregará energía de rotación. Si a un generador se le entrega energía de rotación, este entrega energía eléctrica. (Forchetti, 2013) Esta energía eléctrica va a un generador, (figura 50) el cual convierte la energía eléctrica para transportar la energía por los cables de la manera más eficiente posible, con un sistema de control para conectar y desconectar de la red eléctrica. Figura 50. Generador Cabe mencionar el uso y funcionamiento de los componentes restantes básicos que se encuentran en el sistema del aerogenerador, los cuales son importantes para que el sistema y el diseño, sea correcto y adecuado para su utilización, como lo muestra la figura 51, 74

75 Figura 51. Componentes de un sistema eólico con caja multiplicadora. Freno: El generador eólico cuenta con un sistema de frenado (figura 52), el cual hace frenar el aerogenerador cuando se detectan vientos muy fuertes que comprometen la seguridad. También es aplicado en las paradas de emergencia o en paradas de mantenimiento. (Energizar, 2011) Figura 52. Freno de disco. Sistema de enfriamiento: Por el constante movimiento de rotación y las velocidades del rango de los 1500rpm, se genera energía calórica debido a la fricción entre los engranajes. La temperatura del aceite debe ser controlada con este sistema de enfriamiento (figura 53), para acondicionar la temperatura de funcionamiento de la multiplicadora. Figura 53. Sistema de enfriamiento. 75

76 Motores para rotación de la torre: Los sistemas eólicos cuentan con un sistema de giro de la torre (figura 54), para que el viento llegue al rotor lo más de frente posible. Los sensores meteorológicos registran de donde viene el viento y le mandan la señal a los motores eléctricos para mover al lugar indicado. (Eólica), 2009) Figura 54. Mecanismo de rotación de la torre. Instrumentos meteorológicos: Estos sensores miden la velocidad, la aceleración y la dirección del viento (figura 55). Toda esta información va a un sistema que controla la rotación de las paletas, la rotación de la torre, el acople del generador con la red, las paradas de emergencia, entre otras funciones. Los principales instrumentos utilizados son: Anemómetro. Es un dispositivo que mide la velocidad del viento. Sirve para poner en funcionamiento o detener el aerogenerador, pues éste sólo funciona en un rango de velocidad del viento. A poca o demasiada velocidad del viento, las palas se detienen. Generalmente, con vientos superiores a 5 m/s, un generador se pone en funcionamiento, aunque todo depende del modelo. 76

77 Veleta. Aparte de la velocidad, algunos aerogeneradores pueden saber la dirección del viento y orientarse respecto a ella. Figura 55. Instrumentos Meteorológicos. Controlador: Manejan la información que suministran la veleta y el anemómetro (figura 56), colocados encima de la góndola para orientar el molino y las palas de forma que la generación se optimice lo máximo posible. Toda la información sobre el estado de la turbina se puede enviar de forma remota a un servidor central. (Energías Renovables el motor del nuevo mundo, 2014) Figura 56. Controlador. 77

78 Góndola: La góndola es un cubículo que se puede considerar la sala de máquinas del aerogenerador (figura 57). Puede girar en torno a la torre para poner a la turbina encarada al viento. Dentro de ella se encuentran la caja de cambios, el eje principal, los sistemas de control, el generador, los frenos y los mecanismos de giro de la Figura 57. Estructura de la Góndola. góndola. La torre: Es el elemento estructural que soporta todo peso del aerogenerador y mantiene elevadas del suelo las palas de la turbina (figura 58). Hecha de acero y normalmente hueca por dentro para poder permitir el acceso a la góndola. Suele ser típicamente de acero de tipo tubular u hormigón armado (en la actualidad se suelen utilizar estructuras mixtas). Elevan el aerogenerador lo suficiente como para que sea capaz de acceder a velocidades del viento mayores, en contraste con las bajas velocidades en los puntos cercanos al terreno y la existencia de turbulencias. (Forchetti, 2013) Figura 58. Torre de un aerogenerador eólico. 78

79 Para un sistema eólico de acople directo, o bien conocida sin caja multiplicadora, el generador de imanes permanentes se conecta directo al adaptador de las palas, como lo muestra la figura 59: Figura 59. Componentes básicos de un sistema eólico sin caja multiplicadora. Generador síncrono de imanes permanentes: es un generador síncrono en el que se ha sustituido el bobinado de excitación, normalmente en el rotor, por un sistema formado por imanes permanentes que suministran un campo de excitación constante. (Curti, 2013) Su funcionamiento dista mucho de ser como un generador síncrono normal. En un generador usual, se controla la tensión mediante la excitación. En un generador de imanes permanentes la excitación es constante por lo que al cargar el generador cae la tensión sin opción de regulación. 79

80 Este tipo de generador se usa en aquellos casos en los que no importa que la tensión caiga, en cierto grado o siempre que se aplique electrónica a la salida del generador. La electrónica puede convertir un rango de tensiones variable en tensión continua de valor constante. (Obeki, 2005) SI se usan, por ejemplo, para alimentar los reguladores que actúan en la excitación de grandes generadores síncronos Su principal beneficio en estos casos es que cuando hay un cortocircuito en el gran generador síncrono son capaces de suministrar la energía necesaria al regulador para que este sobreexcite al generador y poder mantener la tensión el tiempo suficiente para que salten las protecciones. Otro gran uso que se da a los generadores de imanes permanentes es en los sistemas eólicos, (figura 60), el cual evita tener la caja multiplicadora disminuyendo espacio y peso. (Forchetti, 2013) Figura 60. Generador de imanes permanentes. 80

81 2.1 Modelo Dinámico de la Turbina. La creciente utilización de sistemas de generación de energía renovable ha provocado un aumento importante en la investigación y desarrollo de tecnologías. Particularmente, la generación mediante energía eólica es uno de los más importantes hoy en día. Un factor determinante en la capacidad de generación a través de energía eólica es la eficiencia de las turbinas, los cuales entre estos aspectos podemos encontrar con los aspectos geométricos, los aerodinámicos de la turbina y la estela turbulenta generada por las palas del rotor. (Lorenzo, 2004) Como sabemos la turbina es la máquina encargada de convertir la energía cinética del viento en energía mecánica. La energía del viento es producto de la energía cinética de las partículas de aire en movimiento. La energía cinética (Ec) de una masa (m) de aire que se mueve a una velocidad (v), puede expresarse como: Al acercarse esta masa de aire a una turbina, representada por el área transversal (A) de barrido de sus palas (figura 61), se produce una disminución de velocidad (vd) y, consecuentemente, un aumento de presión en el frente de la turbina (p+ d): 81

82 Figura 61. Esquema demostrativo del aire a través del barrido de las palas. Al atravesar esta masa de aire el área A, se produce una caída de presión inmediatamente después de la turbina (p d). Esta presión corriente abajo recupera su valor normal (presión atmosférica) a costa de disminuir nuevamente la velocidad de desplazamiento de la masa de aire (v2). Finalmente, entre secciones lo suficientemente alejadas delante y detrás de la turbina, no existe cambio en la presión de la masa de aire pero sí un cambio en su velocidad. (Energuia, 2002) En lo ya mencionado anteriormente la estela turbulenta generada por el barrido de las palas (figura 62), es determinante tanto en la eficiencia individual de aerogeneradores como en la eficiencia global en el caso de parcelas eólicas, debido a la interferencia entre distintas turbinas. (Salaya, 2013) Se sabe que la gran mayoría de las pérdidas de eficiencia de las turbinas eólicas se deben a turbulencias generadas por las palas del rotor, por lo que la minimización de estas es el objetivo principal de los diseñadores hoy en día. 82

83 Figura 62. Estela generada por el barrido de las palas. 2.2 Palas de la turbina. Las palas del rotor, construidas principalmente con materiales compuestos, (figura 63). Se diseñan para transformar la energía cinética del viento en un momento torsor en el eje del equipo. La velocidad de rotación está normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuyo límite actual se establece por la ley de Betz. (Energy, 2006) Figura 63. Pala Eólica - Materiales. 83

84 Dónde: 1) Desmolde. 2) Hoja de unión. 3) Relleno de vacíos. 4) Unión componente (vórtice, deflector de lluvia y borde de salida del ala) 5) Perno, y perno de pieza metálica de fijación. 6) Sellado. 2.3 La ley de Betz La ley de Betz dice que sólo puede convertirse menos de 16/27 (el 59 %) de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador. Las leyes de la física, impiden que se pueda extraer toda la potencia disponible en el viento a su paso por el rotor de un aerogenerador. El viento a su paso se frena, saliendo del mismo con una velocidad menor que con la que ha entrado. En la práctica se aprovecha un 40% de la potencia eólica disponible. La máxima potencia eólica aprovechada la define el Límite de Betz y por este, una turbina eólica puede convertir en energía mecánica como máximo teórico, un 59,26 % de la energía cinética del viento que incide sobre ella. 84

85 Para obtener con un aerogenerador la máxima potencia del viento, (figura 64), se deberá frenar al mismo en 1/3 de su velocidad y la máxima potencia es 0,59 veces la potencia que entrega el viento. (Windpower, 2003) Figura 64. Demostración ley de Betz. 2.4 Sistemas auxiliares de la pala. Los sistemas auxiliares ubicados dentro de la pala del rotor del aerogenerador, se han modificado al paso del tiempo y ayudado al rendimiento de la pala. Tomando como ejemplos extremos, sabemos que el cambio del clima en el transcurso del año es un factor importante, tanto el sol, lluvia, ráfagas de velocidad de viento muy altas, como el congelamiento del agua en la pala, puede llegar a dañar y afectar en un punto considerable del sistema. Es por eso que cabe mencionar que este tipo de sistemas es dado tanto por el fabricante, tomando puntos y características importantes, como el lugar geográfico donde se instalara el aerogenerador. En la figura 65, se pueden observar tres tipos de sistemas que han ayudado al rendimiento de la pala y que hoy en día en un factor importante en la elaboración de palas, para los aerogeneradores eólicos. (Gustavo, 2013) 85

86 Figura 65. Sistemas auxiliares en la pala Protección contra rayos de una pala de rotor. Sistema de calefacción eléctrica para rotor de palas de deshielo. Sección de base de la pala del rotor con el sistema de deshielo con aire caliente. 86

87 2.5 Frenado de la pala. La parada de un aerogenerador es una de las operaciones más críticas porque implica grandes cargas para los componentes del aerogenerador. En términos generales, en los aerogeneradores con control de paso variable, la operación de parada incluye el paso de girar las palas con el borde de salida apuntando en la dirección del viento hasta que alcanzan su posición de bandera, (figura 66). (Economia de Energía, 2008) Figura 66. Frenado de pala, posición bandera. La parada de un aerogenerador puede ser llevada a cabo utilizando diferentes medios específicos de frenado que pueden ser agrupados en dos categorías, (figura 67). Frenos aerodinámicos (frenos neumáticos, flaps en el borde de ataque o puntas giratorias). Frenos mecánicos. 87

88 Figura 67. Izq. Sistema frenado aerodinámico, Der. Sistema de frenado mecánico. En los aerogeneradores con multiplicadora de tres etapas, los frenos mecánicos (típicamente frenos de disco) se colocan normalmente en el eje de alta velocidad porque el par motor es relativamente bajo en él. Cuando más bajo sea el par motor, menor será el freno de disco. En aerogeneradores sin multiplicadora o con multiplicadora de únicamente dos etapas el par motor será más alto y consecuentemente es necesario que el freno de disco sea más grande. 2.6 Fabricación de la pala. Para la fabricación de las palas del aerogenerador, dependerá mucho de los materiales utilizados por el fabricante. Muchas de las empresas grandes las cuales se por largo tiempo se han dedicado a fabricar palas, han mejorado mucho en su sistema de fabricación. (Energy, 2006) 88

89 La cuales gracias a esto, la incorporación en sus aerogeneradores son de diseño y fabricación propia, e incluyen la aplicación de las más modernas tecnologías, como la utilización de componentes en fibra de carbono, el cual hoy en día es unos de los materiales que principalmente se utiliza para este tipo de fabricación. El proceso de fabricación de la pala se divide en cinco etapas importantes, las cuales en cada una de ellas se lleva un correcto control determinado, y un sistema de normas de calidad, lo cual se realiza para obtener una pala en condiciones óptimas y que se pueda llevar al mercado para su instalación. (Gamesa, 2010) 1. Fabricación de la viga Tomando como base materiales compuestos por fibra de vidrio y fibra de carbono, pre impregnados con resina epoxi, se cortan distintas telas que se colocan en un molde y posteriormente se someten a un proceso de curado, como se muestra en la figura 68. Figura 68. Fabricación de la viga. 89

90 2. Fabricación de las conchas Tras aplicar una capa de pintura que servirá como protección de la pala, la fibra de vidrio es utilizada para la fabricación de las conchas, (figura 69), siguiendo el mismo proceso de fabricación que la viga. Figura 69. Fabricación de las conchas. 3. Ensamblaje Una vez obtenidas las dos conchas, se procede al ensamblaje y pegado de la viga entre las dos conchas, (figura 70). 4. Curado Figura 70. Ensamblaje. En la figura 71, se muestra el conjunto ensamblado pasa nuevamente por el horno hasta formar una unidad compacta. Figura 71. Curado de la pala. 90

91 5. Desbarbado y pulido Desmoldado el conjunto que constituye la pala, se pasa a la zona de acabado, donde se terminarán los bordes de ataque y salida de la pala, y se realizará una última revisión de ésta, (figura 72). Figura 72. Desbordado y pulido. 2.7 Ensayos de resistencia a la pala. Las palas del aerogenerador son unas de las partes más importantes del sistema por no decir la más importante, ya que son las encargadas de recoger la energía del viento, convertir el movimiento lineal de este en un movimiento de rotación, esta energía es transmitida al buje, del buje pasa a un sistema de transmisión mecánica y de ahí al generador que transforma el movimiento de rotación en energía eléctrica. A cada pala que se fabrica se le pasa por un proceso de ensayos los cuales ayudan a conocer si la pala está en condiciones para un uso adecuado, además de realizar una inspección de infrarrojo. (Forchetti, 2013) 91

92 Test a estática: Las palas son sometidas a cargas extremas durante un tiempo predeterminado (figura 73), para probar su resistencia a la rotura: son flexionadas en dos direcciones (flapwise & edgewise) utilizando un ciclo próximo a la frecuencia natural Figura 73 Test a estática. de la pala en cada dirección. Test dinámico: Se somete a la pala a oscilaciones correspondientes con su frecuencia natural: cinco millones de ciclos respecto de los dos ejes principales. Durante las pruebas una cámara de infrarrojos de alta resolución (figura 74), se usa para chequear si hay pequeñas roturas en el laminado de la pala y se registran las medidas de deformación procedentes de galgas extensiométricos colocadas sobre la superficie de la pala. Figura 74.Tes dinámico (cámara de infrarrojos). 92

93 Test de rotura: Cuando se usa un nuevo material o se ha realizado un cambio significativo en el diseño de la pala, se realiza adicionalmente un test de rotura, que no es más que llevar el test estático al caso extremo (figura 75), aplicando una carga estática creciente en valor hasta lograr que la pala rompa, realizando los análisis posteriores de la superficie de fractura. (Windpower, 2003) Figura 75. Test de rotura. Inspección con infrarrojos (Termografía): Se utiliza para revelar un aumento de calor local en la pala, (figura 76), Esto puede indicar: a) Un área con humedecimiento estructural. b) Un área de laminación o un área que se está moviendo hacia el punto de rotura de las fibras. (IMPSA, 2011) Figura 76. Inspección con infrarrojos (Termografía de una pala) Izq. Área con humedecimiento, Der. Área de la laminación. 93

94 2.8 Tamaño de la turbina. Figura 78. Tamaño de los aerogeneradores, dependiendo de su potencial en KW. La potencia producida aumenta con el área de barrido del rotor. El área del disco cubierto por el rotor (y, por supuesto, las velocidades del viento) determina cuánta energía se puede colectar en un año. En la figura 78, se da una idea de los tamaños de rotor en aerogeneradores. (Gálvez, 2005). Como referencia se puede señalar que una turbina típica con el aerogenerador de 250 kw, que en este caso es tomado como el más pequeño en tamaño, suele tener un rotor de unos 27m de diámetro. Si se dobla el diámetro del rotor, se obtendrá un área cuatro veces mayor. Esto significa que también obtendrá del rotor una potencia disponible cuatro veces mayor. Los diámetros de rotor pueden variar algo respecto a las cifras dadas en la figura 79, ya que muchos de los fabricantes optimizan sus máquinas ajustándolas a las condiciones de viento locales. (Eólica, 2006). Figura 79. Tamaño de aerogeneradores. 94

95 Capítulo 3.- Sistema Eólico Investigado, Distribución de vientos anuales, Energía Anual Generada y Rangos de velocidad. Sistema de Generador Eólico de Velocidad Fija- Paso Variable En el presente trabajo se desarrolla el estudio y la investigación sobre sistemas de velocidad fija paso variable. El esquema que se muestra en la figura 80, es un aerogenerador de velocidad fija conectado directamente a la red, el cual está integrado por un generador síncrono jaula de ardilla, un arrancador suave, (soft- starter) esto para minimizar el impacto a la red, un banco de capacitores los cuales absorben la potencia reactiva del generador, de modo de protección a la red, cabe mencionar que el sistema del banco de capacitores dependerá mucho del diseño y de la capacidad de generador. Como sabemos la energía cinética del viento que es capturada por las palas es transmitida por el tren de fuerza hacia el generador de inducción que transforma esta energía mecánica en eléctrica y la transmite directamente a la red a través del devanado del estator. Figura 80. Generador velocidad fija. 95

96 Las turbinas eólicas de paso fijo se han utilizado durante mucho tiempo en los sistemas de generación de energía, para baja potencia y potencias media. Hoy en día, las turbinas de potencia media y alta utilizan palas de paso variable, mientras que la utilización de turbinas de paso fijo se limita a las aplicaciones de baja potencia. Las turbinas eólicas emplean sistemas de control de potencia para adaptarse a los cambios de velocidad del viento, cuyo objetivo es extraer tanta potencia como sea posible del viento. En las turbinas de gran tamaño, la potencia extraída del viento se controla mediante la velocidad de la turbina y mediante el ángulo de paso de las palas. Cuando el tamaño de las turbinas es menor, la potencia se controla únicamente por medio de uno de los dos sistemas: hay turbinas que controlan la velocidad, pero no el ángulo de paso, y otras que pueden variar el ángulo de paso, pero no la velocidad En realidad una turbina no es sólo un área por la cual atraviesa el aire sino que está compuesta por palas, las que al girar impartirán además un movimiento de rotación al aire, llamado vórtice. Estos vórtices reducen el porcentaje de energía mecánica extraíble, por lo que el coeficiente de potencia de la turbina no alcanzará el límite de Betz. ( figura 81) Se puede decir entonces que el Cp dependerá de la relación entre las 96

97 componentes de energía de movimiento rotacional y de movimiento translacional de la corriente de aire. Cp= Figura 81. Cp vs ג Esta relación está determinada por, la velocidad tangencial del aire a las palas de la turbina y la velocidad axial del aire (figura 82), llamándose a este cociente como relación de punta de pala, (TSR - Tip Speed Ratio), es decir: ג = = Figura 82. ωr vs V 97

98 Dónde: T = la velocidad angular de la turbina. El coeficiente de potencia es.((ג) por lo tanto una función de la relación de punta de pala (Cp Cabe mencionar que la ley de Betz dice que solo se puede convertir como máximo menos de 16/27 (59%) de la energía cinética en energía mecánica al utilizar un aerogenerador. La incorporación del efecto de los vórtices en el Cp (ג) hace que deban ser consideradas las características aerodinámicas de la turbina y, por lo tanto, también la geometría de las palas que la conforman. En realidad, aún con la incorporación de la geometría de las palas no es suficiente para obtener un modelo representativo de la realidad, aunque se puede obtener una buena aproximación al Cp (ג) real. En general una curva real del coeficiente de potencia debe obtenerse experimentalmente en un túnel de viento.. (ג) Pт = 0.5 Cp ג ג Dónde: Figura 83. Cpmax vs ג opt. PT= Potencia de la Turbina. = Densidad del aire. = Radio de la turbina. Cp =(ג) Coeficiente de potencial. = Velocidad del viento = PI ג = Landa 98

99 Los Sistemas de Velocidad Fija/Variable, son sistemas tradicionales que operan típicamente a frecuencia fija, impuesta por la red de potencia a la que se conectan. Al trabajar a frecuencia constante y por lo tanto a velocidad de rotación fija, tienen un solo punto de operación donde obtienen el máximo provecho de la energía del viento. En todo el resto del rango de velocidades, la captura de la energía se hace de forma sub-óptima. Para el desarrollo de los diferentes cálculos los cuales se realizaron en el análisis, se describen uno por uno en los resultados obtenidos. Cabe mencionar que este análisis se realizó de forma experimental con el objetivo de tener un conocimiento mayor al funcionamiento de un sistema eólico y al comportamiento de las curvas que se obtienen en el estudio del sistema eólico. En función a la velocidad del viento, se sabe que cambia continuamente por lo que es necesario describirlo gráficamente, como lo describe la figura

100 Capítulo 4.- Dibujar un Aerogenerador Eólico en 3D, demostrativo. Unos de los objetivos y alcances mencionados al inicio del proyecto, fue realizar un diseño de un sistema de generador eólico, el cual sería elaborado en un software de diseño en 3D. Esto únicamente para uso demostrativo. El siguiente diseño, fue realizado en Rhinoceros 5.0, un software de diseño en 3D. El diseño es un Aerogenerador pequeño, o bien un sistema eólico de baja potencia. Tri-pala. Rhinoceros: Es una herramienta de software para modelado en tres dimensiones basado en NURBS. Es un software de diseño asistido por computadora, el cual fue creado Robert McNeel & Associates, originalmente como un agregado para AutoCAD de Autodesk. El programa es comúnmente usado para el diseño industrial, la arquitectura, el diseño naval, el diseño de joyas, el diseño automotriz, prototipos rápidos, ingeniería inversa, así como en la industria del diseño gráfico y multimedia. Metodología: El diseño del aerogenerador Tri-pala está formado por una serie de pasos a seguir, los cuales gracias a este proceso se pudo realizar un diseño correcto y realista, los cuales son: 100

101 1.) Sacado de vistas 2.) Despieza 3.) Proporciona del diseño 4.) Trazado 5.) Extracción 6.) Ensamblado 7.) Fillets 8.) Renderizar Desarrollo: Para la realización del Aerogenerador en el software de diseño en 3D, el paso más importante fue el bocete del modelo, el cual fue realizado gracias a una imagen de un aerogenerador real. Posteriormente teniendo el dibujo del modelo se obtienen las vistas (frontal, lateral y superior) necesarias para el proceso Imágenes del diseño: Figura 84. Diseño del aerogenerador. 101

102 Vistas: (Frontal, Lateral, Superior) Figura 85. Vistas del diseño. 102

103 Se hace una lista de las partes del aerogenerador y se comienzan a trazar una por una en el software, las cuales el siguiente paso era extruirlas, para poder ensamblarlas pieza por pieza, y de esta forma empezar a dar forma al aerogenerador, como sabemos que los objetos no tienes esquinas perfectas se les realizan los Fillets, escaleando el tamaño aproximado real de la pieza. Ensamble de las piezas Figura 86. Ensamblaje de piezas. Siguiendo con el renderizador el cual se llevó a cabo en keyshop 5 (programa de renderizado o procedimiento de imagen), donde se le agregaron los materiales, acomodando la vista del ambiente que se le dará al diseño, dando un toque más realista, agregándole un poco de luces del modelo en Photoshop, como lo muestra el anexo 7, esto por la falta de detalles que se pudieron rescatar del diseño original 103

104 Renderizado: Figura 87. Renderizado del diseño. 104

105 XI. RESULTADOS OBTENIDOS Comportamiento de curvas en el sistema Calculo del lamba, respecto a Beta En el primer pasó del análisis se trabajó con una tabla en la cual con base a los datos específicos de la turbina, (los datos dependerán de acuerdo al diseño y fabricante) los cuales se muestran en la tabla 1.2. C C2 116 C3 0.4 C4 5 C C C Tabla 1.2. Datos específicos del diseño de la turbina. Con la fórmula 1.1, se obtuvieron resultados de los Cp max como de los lambda óptimos, con los que se puede trabajar para diferentes sistemas eólicos respecto al ángulo de la pala (beta), los cual se trabajó de forma experimental de acuerdo a la tabla Anexo 1. (1.1) 105

106 Dónde: Cp= Coeficiente de Potencial. C1 C7 = Datos específicos de la turbina. β = Beta = Lambda ג Ψ = Psi Una vez obteniendo los resultados mostrados en color rojo, se buscó y se optó por trabajar con el lamba más alto, el cual nos marca como lambda = 6.9. ג Curva Cp vs La curva de Cp (ג) empleada en este proyecto, se muestra en la figura 96. Esta curva se obtuvo estadísticamente dado a los resultados de la tabla 1.3. Figura 88. Cp max vs ג max. 106

107 Se puede observar que en la figura 96, que Cp (ג) alcanza un valor máximo (Cp max), el cual es inferior al límite de Betz, la cual mostrada anteriormente, nos dice, que solo se puede convertir como máximo menos de (59%) de la energía cinética en energía mecánica al utilizar un aerogenerador. Cp max 0,4197 < 0,593 ג max = 6.9 Correspondiente a una relación punta de pala, maxג) = 6,9), mostrado en la figura 89. La cual nos muestra gráficamente como el sistema al llegar a su potencia máxima de la turbina, empieza a frenarse y el cambio del Cp en l sistema va cambiando y la curva va disminuyendo. Este valor de ג para el cual el coeficiente de potencia es el máximo aprovechable del sistema eólico Tripala. Figura 89. Cp vs viento. 107

108 Mostrando en la figura 93, la curva respectiva a Cp, donde se observa el comportamiento de la curva cuando el sistema llega a su potencia máxima y al llegar a una velocidad superior indicada 9.5 m/s en donde la potencia de la turbina cambia y mi lambda es variable, a diferentes velocidades de viento. Graficada en la figura 90. Figura 90. Lambda vs viento Potencia La potencia mecánica extraíble del aire de la turbina (Pт) se puede representar con la fórmula 1.2: 1.2) ( (ג) Pт = 0.5 Cp 108

109 Dónde: PT= Potencia de la Turbina. = Densidad del aire. Cp =(ג) Coeficiente de potencial. = PI = Radio de la turbina. = Velocidad del viento = Landa ג A partir de la ecuación (1.2) y de la curva de Cp (ג) se pudo obtener la curva de potencia capturada por la turbina (Pт) en función de la velocidad angular ( T) para velocidades de viento distintas, como lo muestra la figura 91. Figura 91. Curva de potencia de la turbina. 109

110 Con la obtención del Cp max, y con los parámetros los cuales se trabajó respecto al sistema, tales como (Radio y Densidad), gracias a la fórmula (1.2), se obtuvieron los resultados de potencia con la cual el sistema trabajara respecto a cada velocidad de viento dada, como lo muestra la tabla 1.4. (Anexo 2). Los parámetros utilizados para la obtención de los datos registrados en la tabla 1.4, y con base a la fórmula 1.2, se puede trabajar representándola de la siguiente manera: 0.5 Cp /1000 =0.5*PI()*$C$2*$C$2*$C$3*$C$4*A13^3/1000 Dónde: $C$2 = Radio $C$3 = Densidad del aire. $C$4 = Cp max A13^3= Viento Se puede decir entonces que el Cp dependerá de la relación entre los componentes de energía de movimiento rotacional y de movimiento translacional de la corriente de aire. Como lo había mencionado antes esta relación está determinada por la velocidad tangencial del aire de las palas y la velocidad axial del aire, conocido como relación punta de pala, ג 110

111 ג Dónde: = velocidad angular Radio = viento Potencia Real Para la curva de potencia real, mostrada en la figura 92, respecto a la curva registrada por la potencia de la turbina, nos indica que el sistema tiene una velocidad mínima de arranque, la cual está dada a los 5 m/s. Los datos registrados se muestran en el anexo 3. Figura 92. Curva de Potencia Real. 111

112 Dónde: Vmin = 5 m/s Pmax = 2500 [KW] Como podemos observar, el sistema al llegar a la velocidad mínima, dado a los parámetros establecido para el análisis, el sistema empieza a generar al punto que la curva se cruza con la curva de potencia (figura 91). El sistema llega a su Potencia máxima de 2500 KW con la cual trabaja, llegando al límite donde el sistema se clava a una velocidad superior de 9.5 m/s, La figura 93 muestra una relación de Potencia vs Potencial real, en la cual se muestra en color rojo como el sistema llega a su potencia máxima y se clava, en otras palabras, el sistema al llegar a su punto máximo de potencia con la cual puede trabajar, Figura 93. Potencia vs Potencia Real. 112

113 Potencia Potencia Real Distribución anual de vientos Tomando los datos registrados por la estación meteorológica, (Anexo 4), la cual está programada para arrojar datos cada 10 minutos, día por día, mes por mes, se optó por trabajar los datos de forma anualmente, gracias a la distribución de weibull, como lo muestra la figura 94. Figura 94. Frecuencia [pu]. Dado a esto, podemos observar que tenemos un rango de velocidad mínima y velocidad máxima mostrada por la distribución de weibull, (figura 95). La cual 113

114 indica que nuestro sistema, al inicio del arranque, el sistema no generara, hasta llegar a una velocidad mínima la cual está dada por 5 m/s, y llegando a una velocidad máxima registrada hasta 15 m/s. Figura 95. Frecuencia de Vientos. De igual manera, se puede mostrar en la gráfica de frecuencia, que en el trayecto que va de la velocidad min, a la velocidad max, muestra que el sistema tendrá vientos de hasta 10,5 m/s, que serán aprovechables. Estos nos lleva a darnos cuenta que los vientos de 10.5 m/s, serán los que se muestren de una manera con más frecuencia en el año y que se aprovecharan en su máximo, dado a las condiciones del sistema. Estos resultados fueron dados gracias a la Distr. Weibull como se muestra en la fórmula 1.3: =DISTR.WEIBULL(A13,$L$2,$L$3,$L$4) (1.3) 114

115 Dónde: A13 = Viento $L$2= Alpha $L$3=Beta $L$4=Acumulativo Frecuencia de Energía. La frecuencia de Energía, en rangos generales, nos dice que vientos registrados al año, se puede obtener mayor energía, esto a comparación con la figura 94, la cual nos dice que vientos con mayor velocidad se pueden aprovechar como lo muestra el anexo 5. En esta grafica nos indica que el año se registra vientos de 14 m/s. (figura 96), con aprovechamiento de energía mayor con respecto a otros vientos. Figura 96. Frecuencia de Energía. 115

116 El resultado de la curva, está dada básicamente a una multiplicación, la cual involucra, la Potencia (figura 91), por la frecuencia [pu] (por unidad) marcada en la figura 94, representada en la fórmula 1.4, de manera: =D13xB13 (1.4) Dónde: D13 = Frecuencia [pu] B13 = Potencia Energía Anual Generada Gracias a la distribución de weibull graficada en la figura 94 y con base a los datos obtenidos por la potencia real, graficados en la figura 92, se obtuvo la energía generada de cada viento, la cual con base a la ecuación 1.5, se pudo obtener un registro como lo muestra el anexo 6, donde se pueden observar los distintos resultados obtenidos de energía, con los cuales se pudo realizar la sumatoria de energía, arrojando así el resultado del viento el cual genera más energía en el año, y la obtención de energía generada anualmente. E ( ) ( ) ( ) [Wh] (1.5) Dónde: 8670= Horas anuales totales ( )= Frecuencia de vientos ( ) = Potencia Real 116

117 En la figura 97, se representa la curva de energía, la cual nos muestra que el viento con más energía generada esta dado a una velocidad de 10,5 m/s. Figura 97. Curva de Energía. Obteniendo un resultado de energía anual generada, de Wh. De una manera general de representar y mostrar el comportamiento de las curvas en el sistema eólico de velocidad fija paso variable, se muestra la figura 98. Donde nos explica de una manera gráfica, el funcionamiento del sistema. 117

118 Figura 98. Grafica del funcionamiento del sistema eólico. Como se observar la gráfica, la cual está dada a la potencia mecánica versus la velocidad del viento, representada en tres regiones, donde nos dice de manera clara cómo se comporta el sistema dado a los parámetros y condiciones del aerogenerador. En la parte de optimización de la región uno, nos indica como el sistema al llegar a su velocidad de arranque, o velocidad mínima, mostrando la curva de potencia real, graficada en la figura 92. El Cp llega a la velocidad superior marcada en la región 2, determinada como al llegar a su Pmax, el sistema pasa a velocidad variable, trabajando ahora con lambda variable. 118

119 Por ultimo en la región tres, la potencia de la turbina o el Cp cambia, esto dado a que el sistema no puede aprovechar la potencia máxima de los vientos, sin embargo sigue generando, dando así como resultado a trabajar a omega constante y beta variable. Al estar trabajando a su punto máximo el lambda cambia, y el ángulo de ataque de la pala comienza a moverse a diferentes grados, dado a diferentes velocidades de vientos, mostrado en la figura 99. Figura 99. Comportamiento de la curva de beta. 119

120 XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. Para cumplir con los objetivos marcados en el proyecto, fue necesario, analizar e investigar las características de conexión tanto en sistemas terrestres como marinos. Además se determinó el sistema eólico más adecuado el cual fue propuesto para realizar el estudio, así mismo conocer las características de dimensión de las palas, el modelo dinámico y el funcionamiento técnico de la turbina. Se determinaron cada una de las partes que componen el sistema, tales como: Dimensiones de las palas, caja multiplicadora, generador de inducción jaula de ardilla, un arrancador suave, (soft- starter) esto para minimizar el impacto a la red, un banco de capacitores los cuales absorben la potencia reactiva del generador, de modo de protección a la red, Se propone un sistema de velocidad fija paso variable de un sistema eólico, trabajado de forma experimental con los datos registrados por la estación meteorológica, realizando así, análisis y comportamientos de las diferentes curvas obtenidas en el estudio. De acuerdo a los resultados obtenidos en el proceso del análisis, y con base a las características del aerogenerador, se concluyó que el sistema de velocidad fija paso variable, a diferencia de otros sistemas de conexión a la red, es un sistema apto y adecuado para su instalación en cualquier tipo de zona. Sin dejar pasar que los parámetros de cada aerogenerador será distinto de acuerdo a cada diseñador y fabricante de sistemas eólicos. 120

121 Por último, para cumplir con el proyecto se realizó un sistema eólico Tri pala, de baja potencia, en un software de diseño en 3D, esto únicamente de forma demostrativa. Cabe mencionar que el diseño se pudo trabajar gracias a un generador eólico real, se tomaron parámetros de medidas del generador, realizando así el boceto del diseño dándole un acabado realista. Mis recomendaciones con base a la experiencia que pude obtener gracias al realizar un proyecto de energía eólica, es poder obtener un tipo de capacitación a este tipo de sistema, como sabemos en muchos lugares del mundo, la energía eólica es más explotada en comparación a otros. Es por eso que sería un punto importante seguir tomando en cuenta este nuevo sistema alternativo, tal vez investigar y estudiar más afondo el funcionamiento y las características que abarcan no solo el funcionamiento técnico, si no obtener una información más completa de todo lo relacionado a estas nuevas tecnologías. Y que claramente puedan ayudar en muchos aspectos, a miles de jóvenes que puedan tener la oportunidad de conocer y tener un poco más de conocimientos de que son y qué futuro tienen las energías renovables en el mundo y que se den cuenta que podemos hacer algo nosotros por realizar algo para nuestro país, realizando proyectos limpios y sustentables. 121

122 XIII. ANEXOS. Anexo 1. Tabla 1.3 Lamba óptimo Cp max. 122

123 123

124 Anexo 2. Datos registrados de Potencia. 124

125 Anexo 3. Datos registrados de Potencia Real. 125

126 Anexo 4. Datos registrados de frecuencia [pu]. 126