ENERGIA EOLICA DE PEQUEÑA POTENCIA. Antigua (Guatemala) septiembre 2014 Enrique Soria Lascorz División de Energías Renovables CIEMAT

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Lidia Suárez Rey
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1 ENERGIA EOLICA DE PEQUEÑA POTENCIA Antigua (Guatemala) septiembre 2014 Enrique Soria Lascorz División de Energías Renovables CIEMAT

2 INTRODUCCION A LA MINI-EOLICA Tecnología eólica Particularidades de los aerogeneradores de pequeña potencia Caracterización del recurso eólico Evaluación del recurso eólico Sistemas con mini-eólica Componentes Configuraciones Aplicaciones

3 Tecnología eólica: Conceptos aerodinámicos básicos Potencia en el viento v Coeficiente de potencia - C p a Límite de Betz C pmax = 0.59 P v, potencia en el viento, en W P a, potencia a la salida del aerogenerador, en W A, área de captación en m 2 ρ, densidad del aire en kg/m 3 U, velocidad del viento en m/s

4 Potencia normalizada Zona sin generación Zona de regulación La curva de potencia P nominal 0.8 Zona de máxima captación V conexión V nominal Velocidad de viento (m/s)

5 Definición de rangos Potencia Nominal (kw) Área barrida de rotor (m 2 ) Sub-categoría P nominal < 1 kw A < 4.9 m 2 Pico eólica 1 kw < P nominal < 7 kw A < 40 m 2 Micro eólica 7 kw < P nominal < 50 kw A < 200 m 2 Mini eólica 50 kw < P nominal < 100 kw A < 300 m 2 Mini eólica APLICACIONES DOMÉSTICAS: Micro/minieólica APLICACIONES INDUSTRIALES: Minieólica/Eólica de Media Potencia PLANTAS DE GENERACIÓN: Gran eólica

6 Componentes del aerogenerador de pequeña potencia Sistema de regulación y control Góndola Rotor Sistema de orientación Torre soporte Generador eléctrico

7 Criterios de clasificación de los aerogeneradores Rotor: Posición del eje de giro del rotor: Horizontal Vertical Número de palas del rotor: 1, 2, 3,, multipala Velocidad de giro del rotor: rápidos - lentos Orientación del rotor: Sotavento Barlovento Tipo de generador eléctrico: Asíncrono Síncrono (de imanes permanentes) Sistemas de control: Pérdida aerodinámica (Stall) / Cambio de paso (Pitch)

8 Rotor Eje Horizontal: 2 a 6 palas Eje Vertical

9 Orientación Barlovento Sotavento Cola de orientación Control activo

10 Generador Generadores de imanes permanentes (PMG, en inglés) (4,6,8 ó 10 pares de polos) Generador de inducción

11 Regulación aerodinámica Sin regulación Desorientación Cabeceo Cambio de paso Pérdida aerodinámica

Control electrónico Regulador electrónico Inversor Rotor Serie Rectificador CA/CC en puente de diodos Convertidor CC/CC Rotor Paralelo Rectificador CA/CC en puente de diodos

12 Control electrónico Regulador electrónico Inversor Rotor Serie Rectificador CA/CC en puente de diodos Convertidor CC/CC Rotor Paralelo Rectificador CA/CC en puente de diodos Limitador de voltaje Convertidor CC/CC (opcional) CC PMG PMG CA Aerogenerador Convertidor para control del aerogenerador Aerogenerador Convertidor para control del aerogenerador

13 Normativa de mini-eólica Normativa eólica ocomisión Electrotécnica Internacional (CEI): TC88 oagencia Internacional de la Energía (AIE): Tarea 27 Acuerdo Eólico Normativa para sistemas híbridos: ocei: TC82 oaie: Tarea 11 Acuerdo PVPS

Prácticas, Waira Otros: Vergnet, Bornay Proyecto Piloto financiado por la agencia danesa, Alianza

14 Experiencias de fabricación de mini-eólica en LAC Argentina: Giacobone, INVAP Brasil: Enersud, Altercoop, Electrovento Méjico: Aeroluz, Fuerza Eólica Nicaragua: Blue energy Perú: Soluciones Prácticas, Waira Otros: Vergnet, Bornay Proyecto Piloto financiado por la agencia danesa, Alianza en Energía y Ambiente (AEA) en 2005 Aerogenerador de 500W Basado en el diseño de Scoraig Wind Electric

Probabilidad (%) Caracterización del recurso eólico (I) 90 80 70 60 50 40 Datos medidos Caro Detallado Poco práctico Usado en grandes 25 20 15 10 Histograma Menos detallado Más práctico Poco usado

15 Probabilidad (%) Caracterización del recurso eólico (I) Datos medidos Caro Detallado Poco práctico Usado en grandes Histograma Menos detallado Más práctico Poco usado Histograma Probabilidad (%) Función de distribución de probabilidad Menos detallado Muy práctico Muy usado Histograma Rayleigh Weibull Velocidad (m/s) Velocidad (m/s) Función de Weibull Con dos parámetros (k, c) se caracteriza el recurso eólico en el emplazamiento v: velocidad de viento para la que se quiere calcular la probabilidad de ocurrencia k: parámetro de forma c: parámetro de escala P(v) probabilidad de que se dé una velocidad de viento, v

Caracterización del recurso eólico (II) Perfil Vertical Variación de la velocidad de viento con la altura Depende del entorno Dirección Variación del viento en función de la dirección No siempre se

16 Caracterización del recurso eólico (II) Perfil Vertical Variación de la velocidad de viento con la altura Depende del entorno Dirección Variación del viento en función de la dirección No siempre se utiliza Altitud Afecta a la densidad del aire densidad * Ley potencial Ley logarítmica Rosa de vientos V 1 : velocidad del viento a la altura h 1 V 2 : velocidad del viento a la altura h 2 : exponente de cortadura

17 Caracterización del recurso eólico en LAC Cada vez son más frecuentes los mapas eólicos regionales y/o nacionales Algunos ejemplos:

18 6. Análisis estadístico Evaluación del recurso eólico 1. Exploración

19 Producción energética (teórica) de un aerogenerador ENTRADA 1: Caracterización del recurso eólico 25 Probabilidad (%) Función de distribución de probabilidad Histograma Rayleigh Weibull Velocidad (m/s) Función de Weibull ENTRADA 2: Caracterización del aerogenerador Curva de Potencia aerogenerador Bin Velocidad de viento (m/s) Potencia (W) Probabilidad de viento (f) Neto V RESULTADO: Energía annual (AEO) Horas equivalentes % % % % % % % % % % % , % , % , % , % % % % % % 0.00 Total: 98.88% Energía Anual AEO(Wh) = (W)*8760 h Horas Equivalentes AEO (Wh) / potencia nominal (W) Σ

20 Sistemas con mini-eólica Sistemas aislados de la red Sistemas Híbridos Sistemas Eólico- Diésel Sistemas Eólico- Agua Sistemas conectados a red Generación distribuida

21 Posibles componentes del sistema Aerogenerador Otras fuentes renovables Control del sistema Almacenamiento Grupo electrógeno Consumos

22 Otras formas de generación renovable Fotovoltaica Mini- Hidráulica Biomasa La principal y más usada en sistemas aislados Muy interesante cuando existe recurso Poco utilizada para producir electricidad a pequeña escala

23 Control del sistema Integración de los componentes Gestión generación renovable Múltiples funciones Control supervisor Gestión del diésel Gestión de cargas Control óptimo

24 Almacenamiento Electroquímico Electromecánico El más usado Distintas tecnologías (Pb-ácido la más frecuente) Alta potencia durante poco un corto plazo Volante de inercia, aire comprimido Agua Bombeo Solución para grandes cantidades de energía

25 Grupo Electrógeno 3 Soluciones para proporcionar electricidad en áreas rurales Extensión de la red Grupo electrógeno Renovables Manera tradicional de electrificación Competencia (?) Sistemas híbridos

26 Los consumos Su definición es clave en el diseño del sistema Carga pico Carga promedio Distribución anual y diaria de la carga Calidad del servicio Posibilidad de realizar un control de la carga El concepto de eficiencia energética cobra especial interés

27 Configuraciones de sistemas con mini-eólica Sistemas conectados a red Sistemas aislados: sistemas con camino en continua y almacenamiento eléctrico Sistemas aislados: sistemas con camino en alterna y grupo electrógeno Sistemas aislados: sistemas sin acumulación eléctrica ni grupo electrógeno

28 Sistemas conectados a red Rotor PMG Rectificador CA/CC en puente de diodos Limitador de tensión (opcional) Inversor CC/CA Aerogenerador Convertidor para control del aerogenerador Convertidor para interconexión a red La red proporciona la estabilidad eléctrica El marco normativo define la facilidad de conexión Muy desarrollado en EE.UU, Reino Unido,

29 Sistemas aislados: Sistemas híbridos camino en continua Aerogenerador y generador FV se adaptan a la tensión CC del sistema, y generan en función del recurso disponible REGULADOR EÓLICO GENERADOR FOTOVOLTAICO REGULADOR FOTOVOLTAICO Convierte a CA de tensión y frecuencia estables Los reguladores protegen a la batería frente a sobrecargas. Pueden contribuir al seguimiento del punto de máxima potencia de los generadores respectivos Establece la referencia de tensión CC

30 Sistemas aislados: Sistemas eólico-diésel camino en alterna Se adapta a la referencia en CA, y genera en función del recurso disponible Participan como referencia de tensión y frecuencia en CA cuando el grupo electrógeno no es capaz Referencia inicial de tensión y frecuencia en CA

Sistemas aislados: Sistemas sin acumulación eléctrica ni grupo electrógeno Acoplamiento Mecánico Acoplamiento Eléctrico directo Acoplamiento Eléctrico Electrónico PMG PMG

31 Sistemas aislados: Sistemas sin acumulación eléctrica ni grupo electrógeno Acoplamiento Mecánico Acoplamiento Eléctrico directo Acoplamiento Eléctrico Electrónico PMG PMG Convertidor electrónico AGUA AGUA MA B MA B Rectificador Inversor Aerogenerador Aerogenerador Control Tipicamente aplicaciones relacionadas con agua Bombeo Desalación Hidrógeno

Experiencias de electrificación rural con híbridos en LAC Argentina PERMER: 115 sistemas en fase piloto 1500 sistemas Brasil Luz para todos Algunos proyectos

100 W 600 Batería 130 AH 180 Controlador eólico 35 A 160 Perú 20 sistemas instalados 3500 sistemas con posibilidad Inversor 12 VDC/220VAC- 300 W 140 Llaves

32 Experiencias de electrificación rural con híbridos en LAC Argentina PERMER: 115 sistemas en fase piloto 1500 sistemas Brasil Luz para todos Algunos proyectos especiales Chile Archipiélago de Chiloé Sistemas eólicos con diésel Méjico Pionero en el uso de híbridos Xcalak o San Juanico Componentes principales USD Aerogenerador 100 W 600 Batería 130 AH 180 Controlador eólico 35 A 160 Perú 20 sistemas instalados 3500 sistemas con posibilidad Inversor 12 VDC/220VAC- 300 W 140 Llaves termomagnéticas 40 Cables eléctricos 75 Accesorios 35 Resistencia 200 W 30 Venezuela 48 sistemas Distribuidos por BORNAY TOTAL 1260 Proyecto EUROSOLAR 36 M USD 177 híbridas, de 600 en total

33 Experiencias de sistemas eólico-diésel en LAC San Cristóbal, en las Islas Galápagos, Ecuador Grupos existentes: 3x650 kw Aerogeneradores: 3x800 kw, MADE Nazareth, Colombia Grupos: 225+2x150 kw Aerogeneradores: 2x100 kw, ADES Fotovoltaica: 8x12.5 kwp Baterías

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