II Máster Energía Solar y Renovables. Módulo: Energía eólica Tema 5: Tipos de instalaciones

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1 II Máster Energía Solar y Renovables Módulo: Energía eólica Tema 5: Tipos de instalaciones

2 II Máster de Energía Solar y Renovables: Módulo Energía Eólica Índice Tema 5: Tipo de instalaciones 1. Introducción. 2. Sistemas de baja potencia Introducción Sistemas aislados: generación energía con acumulación en baterías Sistemas aislados de generación hibrida (eólica-fotovoltaica) Instalaciones de bombeo Generación de energía eléctrica con conexión a red Elementos de la instalación de sistemas aislados Generador Regulador Acumulador Inversor. 3. Sistemas de media potencia. 4. Sistemas de gran potencia. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 2

3 1. Introducción Las aplicaciones de la energía eólica pueden agruparse en tres bloques principales: - Producción de energía eléctrica. - Transformación en trabajo - Otras aplicaciones industriales. La producción de energía eléctrica es la más extendida y la que más se está utilizando en la actualidad, tanto para sistemas conectados a la red como para sistemas aislados de la misma. En cuanto al bombeo de agua podemos decir que tuvo su apogeo en el siglo XIX, aunque sigue utilizándose en nuestros días. Actualmente se está extendiendo su uso para esta aplicación en pequeñas aeroturbinas que inicialmente generan energía eléctrica y posteriormente alimentan una bomba de pozo. Estas aplicaciones básicas, se pueden llevar a cabo con sistemas de baja, media y alta potencia. - Pequeña potencia: máquinas eólicas que suministran una potencia kw. - Media potencia: máquinas de potencia nominal de cientos de kw ( kw). - Gran potencia: aquellas que son capaces de alcanzar el rango unitario del megavatio (1 10 MW). II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 3

4 2. Sistemas de baja potencia 2.1. Introducción Son máquinas pequeñas que se utilizan para alimentar cargas que están alejadas de las redes eléctricas convencionales. Típicamente, se combinan con bancos de baterías para almacenar la electricidad que generan y poder acoplar en el tiempo la generación con la demanda. En el mercado actual se ofrecen con una capacidad unitaria inferior a 100 kw pero se pueden integrar arreglos con varias unidades para suministrar energía eléctrica a cargas mayores (por ejemplo para electrificación rural). Con frecuencia, este tipo de aerogeneradores se combinan con otras tecnología para dar combinaciones que se conocen como sistemas híbridos : - Con sistemas convencionales como generadores diesel para proveer una función de respaldo y, dependiendo de las necesidades de suministro de electricidad y de la disponibilidad de los recursos energéticos no convencionales. - Con otros sistemas no convencionales, como sistemas fotovoltaicos, microturbinas hidráulicas y otros. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 4

5 2. Sistemas de baja potencia 2.1. Introducción La energía eólica de baja potencia se ha presentado en los últimos años como una solución versátil y económicamente rentable a muchos problemas, tanto de abastecimiento de energía eléctrica en zonas aisladas, como de alimentación de bombas de extracción de agua en pequeños pozos aislados. En su aplicación para suministro de energía eléctrica, estos sistemas ofrecen un abastecimiento totalmente autónomo, y con una calidad de la electricidad muy alta, incluso superior a la que ofrece la red eléctrica, ya que con estas instalaciones, cada usuario consume la energía directamente de su generador de señal, sin que existan otros usuarios cuyos consumos puedan influir en la calidad de la energía que ingresa en la propia vivienda. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 5

6 2. Sistemas de baja potencia 2.2. Sistemas aislados: generación energía con acumulación en baterías En los sistemas de generación de energía eléctrica no conectados a la red o aislados, es necesario solucionar el almacenamiento de la energía para poder garantizar un mínimo de suministro en los periodos en los que la producción es inferior a la demanda debidos a la ausencia de viento. El esquema de una instalación eólica aislada es el siguiente: Esquema instalación eólica aislada II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 6

7 2. Sistemas de baja potencia 2.2. Sistemas aislados: generación energía con acumulación en baterías Además del aerogenerador y su correspondiente equipo, una instalación de suministro de energía eléctrica con acumulación en baterías, requiere de un banco de baterías, capaz de almacenar la energía que garantice la continua cobertura de las necesidades de consumo de la instalación y un conjunto rectificador-transformador (inversor), que convierta en corriente alterna a 220 V, la corriente suministrada por las baterías al punto de consumo. «Equipos suficientemente desarrollados, pues son similares a los utilizados en las instalaciones solares fotovoltaicas» 1 1 Aerogenerador. 3 Banco de baterías. 2 Equipo de regulación y monitorización del aero. 4 Inversor. 5 Punto de consumo II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 7

8 2. Sistemas de baja potencia 2.3. Sistemas aislados de generación hibrida (eólica-fotovoltaica) Una de las alternativas para consumos aislados es el sistemas hibrido eólicofotovoltaico ampliamente utilizado para dar solución a esta demanda de energía. Conectando un aerogenerador y un conjunto de paneles fotovoltaicos, ambos de la misma tensión nominal de trabajo, a una batería se obtiene un complemento de energía generada a lo largo del tiempo. La proporción entre la potencia del aerogenerador y la potencia del conjunto fotovoltaico depende de la ubicación de la instalación y de las necesidades de la carga. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 8

9 2. Sistemas de baja potencia 2.3. Sistemas aislados de generación hibrida (eólica-fotovoltaica) La energía solar puede convertirse mediante el efecto fotovoltaico directamente en energía eléctrica continua. La célula solar que funciona mediante el efecto fotovoltaico, transforma directamente la radiación del sol que le llega en energía eléctrica continua. El panel fotovoltaico está formado por una agrupación de células solares, interconectadas eléctricamente y montados sobre un mismo soporte. Los paneles fotovoltaicos comercialmente disponibles están diseñados para estar montados en instalaciones fijas con orientación este-oeste con la cara activa hacia el sur, con un valor de inclinación respecto al suelo próximo al valor de la latitud del lugar. Monocristalino Policristalino La corriente que suministra un panel fotovoltaico es en primera aproximación, proporcional al nivel de insolación que recibe. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 9

10 2. Sistemas de baja potencia 2.3. Sistemas aislados de generación hibrida (eólica-fotovoltaica) El diseño de estas instalaciones se realiza de forma similar a una instalación simple eólica o fotovoltaica, tan sólo hay que tener en cuenta que el regulador-cargador, debe tener una potencia igual a la suma de las potencias de las dos instalaciones de forma que cuando las dos den potencia pico o nominal el regulador pueda soportar la carga. Otra solución es instalar un regulador capaz de cortar el suministro de una de las fuentes si se excede su potencia nominal. Esquema instalación hibrida eólica-fotovoltaica (regulador hibrido) II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 10

11 2. Sistemas de baja potencia 2.3. Sistemas aislados de generación hibrida (eólica-fotovoltaica) La utilización de los sistemas aislado de generación hibrida (eólica-fotovoltaica) es ampliamente utilizada para el suministro de energía eléctrica a consumos aislados, como: viviendas rurales o alejadas de los puntos de conexión, instalaciones de radiodifusión, II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 11

12 2. Sistemas de baja potencia 2.4. Instalaciones de bombeo En el caso de la aplicación de una instalación para bombeo de agua, la instalación consistirá en el aerogenerador, su equipo de regulación y monitorización y una bomba de desplazamiento positivo especialmente adaptada para funcionar directamente conectada al equipo de regulación del aerogenerador Aerogenerador. 2 Equipo de regulación y monitorización del aero. 3 Bomba de desplazamiento positivo. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 12

13 2. Sistemas de baja potencia 2.4. Instalaciones de bombeo Una instalación de bombeo de agua también puede tener una configuración hibrida, eólica-fotovoltaico. En este caso, al igual que sucede para la alimentación de consumos aislados es necesario dotar a la instalación de regulación eólicofotovoltaico, acumulación e inversor. La bomba a instalar será sumergible con una tensión de alimentación de 220 V, y será alimentada desde el inversor. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 13

14 2. Sistemas de baja potencia 2.5. Generación de energía eléctrica con conexión a red Los aerogeneradores de pequeña potencia también ofrecen la posibilidad de realizar instalaciones con conexión a red. La finalidad de éstas es la de vender, a la empresa suministradora de energía eléctrica, la energía producida por la instalación, lo que permite obtener reducidos periodos de amortización de las inversiones realizadas Aerogenerador. 2 Equipo de regulación y monitorización del aero. 3 Puerto de comunicaciones. 4 Inversor de conexión a red. 5 Contador de energía. 6 Red de distribución de la compañía eléctrica Estas instalaciones constan de aerogenerador, su equipo completo de transformación y rectificación de la energía eléctrica y un inversor especial de conexión a red, el cual convierte en alterna senoidal de 230 V eficaces, la tensión de la energía producida por el aerogenerador, para que de este modo pueda ser vertida a la red. Finalmente la instalación constará de un contador de energía que registrará la energía que la instalación vierte a la red. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 14 6

15 2. Sistemas de baja potencia 2.5. Generación de energía eléctrica con conexión a red Este tipo de instalaciones se incrementarán con la aparición de: - Real Decreto 1699/2011 por el que se regula la conexión a red de instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia. - Proyecto de Real Decreto por el que se establece la regulación de las condiciones administrativas, técnicas y económicas de la modalidad de suministro de energía eléctrica con balance neto. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 15

16 2. Sistemas de baja potencia 2.6. Elementos de la instalación de sistemas aislados Los elementos que componen una instalación eólica aislada de la red de baja potencia, son los siguientes: Regulador Inversor Generador Acumulador Consumo II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 16

17 2.6. Elementos de la instalación de sistemas aislados Generador El generador eléctrico acoplado a un rotor eólico puede ser una dinamo o un alternador. En el caso de la dinamo, la conexión con la batería debe disponer de diodos de potencia, para evitar que la batería pueda descargarse sobre la dinamo cuando ésta no genere suficiente tensión. En la práctica se utiliza el alternador en lugar de la dinamo, debido a que ésta presenta mayor par resistente en el eje, lo que implica que el aerogenerador necesita mayor velocidad de viento para empezar a girar. Además, el mantenimiento de las escobillas de la dinamo presenta una desventaja adicional. «El alternador utilizado para los aerogeneradores es del tipo trifásico o autoexitable» Para que existe máxima transferencia de potencia entre el generador eléctrico y las baterías, las tensiones nominarles de ambos deben coincidir. Por esta razón en las especificaciones de los aerogeneradores se incluye la tensión nominal continua de trabajo y en los modelos comerciales más usuales, son múltiplos de 12 V (24, 48,120, ). II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 17

18 2.6. Elementos de la instalación de sistemas aislados Regulador El regulador se intercala entre el aerogenerador y el acumulador, para graduar el proceso de carga del acumulador y proteger las baterías. Es capaz de dosificar la energía generada por el aerogenerador en la máxima proporción que los acumuladores puedan admitir detectando la tensión en la batería, para evitar sobrecarga y descarga excesiva que puedan reducir su vida útil o producir daños irreversibles. Además, se encarga de optimizar el régimen de giro del aerogenerador para evitar posibles daños o un desgaste prematuro de la turbina haciendo a esta girar en torno a las revoluciones nominales en todo momento y deteniéndola cuando se estime peligroso o no sea necesario su funcionamiento. - Proporcionan información en tiempo real de la energía entregada por el aerogenerador y por los paneles fotovoltaicos si lo hubiese. También facilitan otra información como la intensidad de carga de las baterías, estado del aerogenerador (frenado, cargando, standby, ). - Algunos incorporan entradas para poder conectar un campo fotovoltaico si la instalación estuviera dotada de él. - Se dimensiona para la intensidad de carga de las baterías de la instalación. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 18

19 2.6. Elementos de la instalación de sistemas aislados Acumulador El almacenamiento de la energía eléctrica producida por el aerogenerador se hace a través de las baterías o acumuladores. Las baterías son un componente muy importante de todo el sistema pues realizan varias funciones para el buen funcionamiento de la instalación: - Almacenan energía eléctrica en períodos de alto recurso eólico y/o bajo consumo de energía eléctrica, es decir, cuando el aerogenerador produce más energía de la que realmente se consume en ese momento. La energía que no se utiliza es almacenada en la batería. - Proveen la energía eléctrica necesaria en periodos de calmas del viento. Normalmente en aplicaciones de electrificación rural, la energía eléctrica se utiliza a lo largo de todo el día y los aparatos pueden funcionar correctamente gracias a la energía eléctrica que la batería ha almacenado. - Proveen un suministro de energía eléctrica estable y adecuado para la utilización de aparatos eléctricos. La batería provee energía eléctrica a un voltaje relativamente constante y permite, además, operar aparatos eléctricos que requieran de una corriente mayor que la que pueden producir el aerogenerador. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 19

20 2.6. Elementos de la instalación de sistemas aislados Acumulador Un acumulador ha de cumplir dos condiciones: - Ceder una potencia instantánea superior a la que el aerogenerador es capaz de suministrar a potencia nominal. (Para poder suministrar la energía necesaria en el arranque de un motor). - Mantener un nivel de tensión estable, ya que un aerogenerador produce energía en función del recurso eólico en cada instante, lo cual es muy perjudicial para los aparatos. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 20

21 2.6. Elementos de la instalación de sistemas aislados Acumulador El acumulador se diseña en función del uso a que se destina, definido por las características del ciclo de carga-descarga a que valla a ser sometido. Las diferentes clases de acumuladores pueden agruparse en: Acumuladores de arranque: para aplicaciones donde se debe suministrar gran corriente durante un intervalo de tiempo corto y en condiciones desfavorables de temperatura. Se utilizan en el arranque de motores de combustión interna en vehículos. Acumuladores de tracción: para aplicaciones en las que se las someten a fuertes descargas a intervalos de tiempo, durante un periodo que suele ser de 8 horas (una jornada laboral). Después de este periodo deben ser recargadas rápidamente para la próxima jornada. Diseñado para tracción en vehículos con motor eléctrico, las aplicaciones más extendidas son las carretillas de transporte o elevadoras, pequeños vehículos eléctricos, etc.. Acumuladores estacionarios: Su aplicación es la de almacenar energía eléctrica, sin desplazamiento de la batería. Las aplicaciones son muy variadas, siendo la más extendida la de funcionamiento en stanby o espera, para suministrar energía eléctrica en caso de fallo de la tensión de red. Acumuladores especiales: baterías para submarinos y aviones. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 21

22 2.6. Elementos de la instalación de sistemas aislados Acumulador Capacidad del acumulador La capacidad de la batería o acumulador se mide en amperio-hora (Ah), una medida comparativa de la capacidad de una batería para producir corriente. La capacidad de descarga es el término utilizado para comparar diferentes acumuladores. Se define como: C = I dt Si tomamos valores constantes de la descarga: siendo: I Intensidad de la corriente de descarga, [A]; t Tiempo de descarga, [horas]. C = I t Un acumulador que tiene una capacidad de 100 Ah a 5 horas, se expresa C5 = 100 Ah. La corriente que produce la descarga es de 20 amperios. La vida de un acumulador se define como el número de ciclos de carga-descarga, que pueden realizarse hasta que la capacidad disminuye un 20 % de la nominal. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 22

23 2.6. Elementos de la instalación de sistemas aislados Acumulador Las baterías que más se utilizan en las aplicaciones eólicas son las de níquel-cadmio y las de plomo-ácido: Ventajas Níquel -Cadmio Más fiables y resistentes. Soportan descargas de hasta el 90% de su capacidad teórica. Se recuperan totalmente. Aguantan bajas temperaturas. Soportan los cortocircuitos. Mantenimiento mínimo. No producen gases corrosivos. Inconvenientes Son bastante más caras. Plomo-ácido Son mucho más económicas. Idóneas para pequeñas instalaciones. La vida útil puede ser mucho más larga con el mantenimiento adecuado. No admite muchos ciclos por debajo del 40% de su capacidad. Tiene un efecto memoria, puede que no se recuperen totalmente. Los cortocircuitos afectan en el rendimiento. Necesitan un mayor mantenimiento. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 23

24 2.6. Elementos de la instalación de sistemas aislados Inversor La utilización de la energía continua disponible en la batería, puede realizarse directamente, pero en la mayoría de los casos es necesaria la adaptación de las características eléctricas a la carga, es decir, al consumo la energía mediante un inversor. Estas transformaciones suelen ser dos: - Conversión continua-continua: transformación de una tensión continua CC a otra tensión continua CC pero de diferentes características. La tensión continua de salida tiene una tensión más elevada a través circuitos electrónicos denominados convertidores continuacontinua. Un convertidor es el equivalente en corriente continua de un transformador. - Conversión continua-alterna: transformación de tensión continua CC a una tensión alterna CA. La tensión alterna es más elevada y de frecuencia 50 Hz, mediante circuitos electrónicos denominados inversores. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 24

25 2.6. Elementos de la instalación de sistemas aislados Inversor Los inversores permiten transformar la corriente continua de 12 o 24 voltios, producidos en un aerogenerador y almacenados en la batería, en corriente alterna a 125 o 220 voltios, que es lo que se utiliza generalmente en los puntos de consumo. Todo esto nos permite utilizar aparatos eléctricos, de la misma forma que la red en una casa que tiene energía eléctrica a 220 voltios. Además, permite reducir la pérdidas de energía por efecto joule, mejorando el rendimiento del sistema Un inversor CC-CA lleva acoplado unos transistores y tiristores capaces de cortar en un segundo, muchas veces, la corriente que recibe, lo cual simula el comportamiento de la energía alterna típica. Pero esto trae consigo la pérdida de energía del propio inversor, el cual tiene un rendimiento bastante pequeño en determinadas situaciones. La onda de salida puede ser cuadrada, senoidal modificada o senoidal, dependiendo del tipo de inversor utilizado. El inversor con salida de tensión alterna con forma de onda cuadrada, es aplicable a elementos en que la forma de onda no afecta a su funcionamiento, como las lámparas de alumbrado. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 25

26 2.6. Elementos de la instalación de sistemas aislados Inversor Las principales especificaciones de un convertidor son: - Tensiones nominales de entrada y salida. - Rendimiento. - Sobrecarga admisible. - Resistencia a cortocircuito. - Potencia. «La potencia del inversor deber ser como mínimo igual a la potencia de la instalación a la que se tiene que atender» La complejidad de los inversores está en su capacidad de igualar la forma sinusoidal de la onda de corriente alterna, y en la garantía de mantener la frecuencia y el voltaje dentro de unos limites. Para las instalaciones aisladas, los requisitos de estos equipos son menores que en las conectadas a la red. En este último caso, los inversores son unos elementos más sofisticados que deben garantizar que la electricidad producida por el aerogenerador se vierte a la red en las mismas condiciones que lo hacen las centrales convencionales. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 26

27 3. Sistemas de media potencia Son sistemas cuya potencia media ronda los 300 kw y también tiene como principales aplicaciones la generación de energía eléctrica y el bombeo de agua. - La generación de energía eléctrica en estos sistemas se aplica a colectividades mayores, y como el problema del almacenamiento es mayor, solo cabe su utilización como fuente complementaria conectada a la red principal o bien en combinación con un motor diesel para abastecer una pequeña red local. - El bombeo de agua con una potencia puesta en juego mayor no presenta problemas si se dispone de depósitos adecuados. Las configuraciones de los sistemas eólicos de media potencia conectados a un red principal son comunes a los utilizados en grandes potencias. «La aplicación más utilizada para la media potencia son sistemas híbridos con un generador diesel» II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 27

28 4. Sistemas de gran potencia Son máquinas de gran tamaño que se conectan a una red eléctrica convencional para alimentar cargas específicas de capacidad importante o para construir centrales eoloeléctricas (parques eólicos). «Parque eólico: central de producción de energía eléctrica formada por aerogeneradores» En la normativa de carácter energético, no existe una definición oficial de parque eólico, mencionándose el término general de instalaciones eólicas. En la normativa ambiental, en cambio, si se utiliza el término de parque eólico, pero sin definirlo. Es bastante corriente considerar que el parque eólico está formado por los aerogeneradores y la subestación de parque, dejando aparte las líneas eléctricas de interconexión con la red. Los tamaños, en cuanto a producción de potencia se refiere, oscilan entre 850 kw y kw. A pesar de los distintos conceptos de aeroturbinas ensayados, los que actualmente se imponen por su grado de madurez tanto en aspectos técnicos como económicos son los de eje horizontal. II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y RENOVABLES_MÓDULO ENERGÍA EÓLICA 28

29 II Máster Energía Solar y Renovables GRACIAS POR SU ATENCIÓN