Criterios para la selección de parques eólicos

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓENERGÉTICA. Trabajo de Diploma. “Criterios para la selección de parques eólicos”. Autor: Saidelys González Machado Tutor: Dr. Zaid García Sanchez. Santa Clara, Cuba, 2017.

(2) TAREAS TÉCNICAS. 1. Realizar una revisión bibliográfica sobre el tema de las fuentes renovables de energía y en especial sobre la generación eólica. 2. Resumir los aspectos ambientales que influyen en la generación de electricidad mediante turbinas eólicas. 3. Comparar los principales conceptos de penetración eólica y debatir sobre el significado técnico de cada uno de ellos. 4. Enunciar y comparar las diferentes topologías de las tecnologías de aerogeneradores existentes. 5. Estudiar un caso que defina los aspectos a tener en cuenta en la selección de un parque eólico..

(3) RESUMEN La generación eólica es una de las fuentes renovables de energía de mayor protagonismo en Cuba debido a su posición geográfica y la disposición de los vientos. El presente trabajo trata de una de las formas más contemporáneas de generación de energía, se abordan los principales principios de la energía eólica y se detallan las principales tecnologías utilizadas en función de su evolución. Los conceptos para valorar la penetración eólica son valorados y detallado su significado para cada uno de los conceptos descritos en la bibliografía. Se realiza además un estudio de caso donde se muestras los aspectos a tener en cuenta para la realización de un proyecto eólico. Estos aspectos deben ser generalizados en los estudios que se realizan para la inserción de la generación eólica en Cuba, la cual tendrá un aporte esencial en la matriz de generación prevista para el año 2030. Se muestran conclusiones y recomendaciones que pueden ayudar a la toma de decisiones..

(4) ÍNDICE INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA ...................................................... 3 Introducción .................................................................................................................. 3 1.1 El viento como una fuente de energía ..................................................................... 3 1.2 Energía extraída desde el viento............................................................................. 5 1.3 La turbina eólica como motor primario .................................................................... 7 1.4 Concepto e importancia de la penetración eólica .................................................. 10 1.5 Evaluación del potencial eólico ............................................................................. 13 1.6 La turbulencia, la localización de las turbinas y clasificación según IEC8 ............. 15 CAPÍTULO 2. ENERGÍA EÓLICA, SISTEMAS DE GENERACIÓN............................. 17 Introducción ................................................................................................................ 17 2.1 Tipos de Generación de Energía Eólica ................................................................ 17 2.2 Sistema con generador asincrónico en jaula y velocidad constante ...................... 17 2.3 Sistema basado en generador asincrónico y velocidad variable ........................... 19 2.4 Sistema basado en generador asincrónico doblemente alimentado ...................... 20 2.5 Sistema basado en el generador de reluctancia conmutado ................................. 22 2.6 El análisis comparativo de los diferentes sistemas................................................ 23 CAPÍTULO 3: PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO ................................................... 25 Introducción ................................................................................................................ 25 3.1 Concepto y características de los parques eólicos ................................................ 25 3.2 Energía Eólica (Ventajas y Desventajas) .............................................................. 27 3.3 Fases del desarrollo de un proyecto de parque eólico .......................................... 28 3.4 Evaluación de recursos eólicos ............................................................................. 29 3.5 Determinación de la altura de la torre ................................................................... 31 3.6 Selección de turbinas eólicas y localización .......................................................... 32 3.7 La producción de energía desde parque ............................................................... 34 3.8 Análisis económico ............................................................................................... 36 3.9 Sistema eléctrico y conexión de red ...................................................................... 38 CONCLUSIONES ....................................................................................................... 40 RECOMENDACIONES ............................................................................................... 41.

(5) INTRODUCCIÓN Cuando en la década de los años 70 se tuvo la primera gran crisis del petróleo el hombre bajo razón lógica se da cuenta que aún las reservas más grandes del petróleo en el mundo tendrían fin un día y ese día no podía llegar sin antes tener por lo menos pensado una alternativa para el estimado combustible fósil. Desde entonces casi todos los países desarrollados y con Estados Unidos de América en la cabeza comienzan investigaciones sobre el desarrollo energético mundial, muchos fueron los inventos y tentativas de lograr verdaderos sistemas eficientes y viables económicamente. La utilización de la energía eólica pasó de la simple aplicación del bombeo de agua a la generación de corriente continua en el principio utilizada para aplicaciones de carga de baterías e iluminación. Así se comenzó pensar en aumentar la potencia por unidad aun cuando se tuviera que aumentar considerablemente el diámetro de los rotores de las turbinas y eso hace la necesidad de aumentar considerablemente la altura como nunca se había visto, es decir reducir el número de turbinas y con menos máquinas generar más, lo que mejoraría de inmediato el impacto paisajístico y así ya podrían estar formando parte los aerogeneradores de los campos de cultivos y de ganaderías sin problema ninguno. La tarea más difícil sería luego aumentar el rendimiento de los generadores. [1] Problema Científico: Los cálculos relacionados con la selección de turbinas eólicas en función de los criterios tecnológicos actuales y de fabricación de los generadores eléctricos para un determinado lugar con características propias. Objetivo General: Realizar un estudio sobre los principales aspectos relacionados con la generación eólica, las tecnologías existentes y aspectos climatológicos a tener en cuenta en la selección de un parque eólico. Objetivos Específicos: •. Realizar una revisión bibliográfica sobre el tema de las fuentes renovables de. energía y en especial sobre la generación eólica. •. Enunciar y comparar las diferentes topologías de las tecnologías de. aerogeneradores existentes •. Estudiar un caso que defina los aspectos a tener en cuenta en la selección de. un parque eólico.. 1.

(6) Objeto de Estudio: El aerogenerador Rama de la Ingeniería: Energía eólica Este trabajo de diploma está constituido por tres capítulos. El primero se titula “El viento y la energía eólica”. En él se abordan las cuestiones geográficas importantes a tenerse en cuenta para la implantación de un parque eólico y los principios fundamentales de la generación eólica.El capítulo 2 aborda el tema de los sistemas de generación en la energía eólica donde se explican los diferentes tipos de generadores utilizados en turbinas eólicas y se hace un análisis comparativo de los diferentes sistemas; y en el capítulo 3 se hace una propuesta de un parque eólico donde se presentan los principales pasos a tener en cuenta para el desarrollo de un proyecto eólico conectado a la red, se evalúa la producción de energía de este parque y se realiza el balance económico. 2.

(7) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA Introducción Desde los anales de la humanidad, el hombre ha utilizado la energía eólica para diferentes fines. En este capítulo se abordan las cuestiones geográficas importantes y los principios fundamentales de la generación eólica.. 1.1 El viento como una fuente de energía Como una fuente de energía para generar energía eléctrica, el viento es muy diferente de la del resto de las convencionalmente utilizadas para esta finalidad. Sus características más importantes son sin dudas, que es altamente variable y difícil de prever. Hay regiones del mundo donde los vientos soplan con mucha fuerza a lo largo del año, otras en que su comportamiento es estacional y otros donde su presencia es prácticamente nula. Como es sabido, determinar las áreas donde las velocidades son tales que lo tornan económicamente viable instalar turbinas eólicas, es el primer paso para inserir la energía eólica como fuente de energía en una región o país.[1]. Figura 1.1- Distribución probabilística de la velocidad en una región o área Debido a la naturaleza estocástica del viento, su presencia en una zona es determinada por una distribución de probabilidades, tal como la de Weibull, figura 1.1 o de Raleygh. Una distribución típica muestra la mitad de la zona azul está a la izquierda de la línea vertical a 6,6 metros por según. Los 6,6 m/s son la media de distribución. Esto significa que la mitad del tiempo el viento sopla a menos 6,6 m/s y a otra mitad va a soplar a más de 6,6 m/s. En este caso la velocidad media del viento es de 7 m/s. Este valor es simplemente la media de las observaciones de la velocidad del viento que se tiene en ese sitio. Como puede ser visto, la distribución de velocidades de viento no es simétrica. A veces el viento tiene velocidades muy altas, pero es el caso menos frecuente. 3.

(8) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. Además, en este caso, la velocidad del viento de 5,5 m/s es común. Éste valor (5,5 m/s) es llamado el valor de la distribución modal. Si multiplicamos cada pequeño intervalo de velocidad del viento por la probabilidad de conseguir una velocidad particular, y sumase todo eso, dando como resultado la velocidad media del viento. [2]. Figura 1.2- Frecuencia de la ocurrencia del viento La velocidad del viento es siempre fluctuante, de modo que el contenido de energía varía continuamente. La magnitud de esa variación depende de las condiciones climáticas y de las condiciones de las superficies y obstáculos locales, de modo que la producción de energía de una turbina eólica irá a variar conforme el viento varia, aunque las variaciones más rápidas son reducidas, hasta cierto punto por la inercia del rotor de la turbina eólica. La figura 1.2 muestra la frecuencia de ocurrencia de diferentes velocidades de viento para distribución típica mostrada en la figura 1.1. El valor medio de la velocidad de esta es de 7 m/s. Este valor medio de la velocidad varía aleatoriamente. Variaciones en intervalos de tiempo pequeños son más acentuadas y también son caracterizados por la presencia de rayadas de viento, que son rápidos aumentos del viento de corta duración. Hay también aumentos o disminuciones de velocidad del viento en rampa. [2] La velocidad del viento también depende de la altura. La figura 1.3 muestra, esquemáticamente, la variación de la velocidad del viento V con relación a la altura del suelo Z. Esto es crucial en la selección de la altura de la torre. La velocidad del viento tiende aumentar con el aumento de la altura. Eso ocurre porque a un nivel bajo, el viento entra en interacción con el suelo, con su vegetación, edificios y otros obstáculos, que “perturban” el flujo de aire, reduciendo la velocidad del viento. Por otro lado, el gran diámetro de los rotores de las turbinas de viento modernas de gran 4.

(9) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. potencia, requiere la colocación de los respectivos ejes de rotación a decenas de metros del suelo. Es por esto, tradicionalmente las mediciones de vientos se realizan alrededor de los 10 m de altura ya que a esta altura es donde usualmente interactúan con las palas de los aerogeneradores. [2]. Figura 1.3- Perfil de velocidad del viento de v con relación a la altura arriba del solo z. 1.2 Energía extraída desde el viento Una turbina eólica logra su energía a través de la conversión de la fuerza del viento en un torque que actúa sobre las palas del rotor. La cantidad de energía eólica transferida para el rotor depende de la densidad del aire, el área barrida del rotor y de la velocidad del viento. La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a la masa (o peso). Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, esto es, su masa por unidad de volumen. [1][2] A fin de calcular la potencia y el torque que un generador eólico entrega es primero necesario lograr la expresión de la energía transportada por el viento y estimar la parte de esa energía convertida en forma mecánica y utilizada por la turbina eólica. La energía cinética de una masa de aire (m) a una velocidad media (vm) y está data por la expresión:. 1 EV  .m.v m2 2. (1.1). La potencia es la energía por unidad del tiempo t, por consiguiente, la expresión de la energía eólica depende de la masa de aire que pasa por unidad de tiempo para un volumen dado, esto es:. PV . EV 1 m 2  . .vm t 2 t. 5.

(10) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. 1 Pv  . . A.vm .vm2 2. (1.2). 1 PV  . . A.vm3 2 Dónde: ρ es densidad del aire, en kg/m³, y A es el área barrida por las palas de la turbina eólica. No toda la energía del viento puede ser aprovechada al pasar a través del área de las palas, lo que significa que parte de esta energía no es convertida a la forma mecánica siendo limitada por la naturaleza turbulenta del viento al batir las palas. [2] Fue demostrado que la disminución de la potencia depende de la razón entre la velocidad lineal de la punta de la pala y el ángulo de ataque del viento con relación a la pala, que puede ser alterada a través de la variación de la orientación del eje de las láminas. Esta relación es llamada de Razón de Velocidad de las Palas (TipSpeed Ratio) y está dada por la expresión:. . R. R vm. (1.3). Dónde: vm es la velocidad del viento, R es su radio y wr es la velocidad angular del rotor de la turbina eólica. La figura 1.4 muestra la energía eólica disponible extraída por el rotor y la energía convertida en electricidad. La extraída del rotor, es limitada por la ley de Betz y la transformada en electricidad es limitada por la eficiencia del generador. Esta relación entre la potencia del viento y la potencia realmente convertida para la forma mecánica es llamada coeficiente de potencia cp. Expresión que será explicada posteriormente.. Figura 1.4- Gráfico de comparación entre las potencias 6.

(11) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. Dejando como expresión final para la energía eólica convertida en la forma mecánica: PV . 1 .c p . . A.v m3 2. (1.4). 1.3 La turbina eólica como motor primario El principio de funcionamiento de una turbina eólica está compuesto por dos procesos de conversión que son realizados por sus principales componentes: el rotor, que extrae la energía cinética del viento y la convierte en un par mecánico en el eje, y el sistema generador que convierte esa energía a la forma eléctrica. En la práctica, los mejores generadores eólicos tienen eficiencias del 35% a 40%. Las turbinas eólicas son proyectadas para trabajar adentro de ciertas velocidades de los vientos. La velocidad más baja, llamada de velocidad de corte inferior o de Entrada es generalmente 3-5 m/s, porque por debajo de esa velocidad no hay energía suficiente para superar las pérdidas del sistema. La velocidad más alta es la velocidad de salida (Cut Oct windspeed) y es determinada por la capacidad de la máquina para resistir vientos fuertes. [2] La velocidad nominal es la velocidad del viento a la cual la máquina alcanza su potencia nominal. Por encima de esta velocidad, tiene que haber mecanismos para mantener la potencia de salida con un valor constante con el aumento de la velocidad del viento. La figura 1.5 muestra la estructura interna de una turbina de viento de tres palas, de ejes horizontal, que, aunque no el único tipo, si es la más utilizada hoy en día.. Figura 1.5- Estructura de una turbina eólica 7.

(12) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. Una turbina está compuesta de tres partes: la estructura de las palas, la góndola y la torre. Las palas son hechas de material especial resistente al calor, humedad y polvo, con dibujo aerodinámico. [1] Del punto de vista de la construcción y funcionamiento de las turbinas eólicas existen dos tipos de clasificación: de acuerdo con la posibilidad de variar la velocidad del rotor y de acuerdo la posibilidad de control del ángulo de las palas. De acuerdo con la posibilidad de variar la velocidad del rotor pueden ser Turbinas de Velocidad Constante y Turbinas de Velocidad Variable. Las primeras son proyectadas para operar a una velocidad fija o, a lo más, dos velocidades distintas y utilizan generadores asincrónicos de jaula de ardilla. Las de velocidad variable son concebidas para ser capaces de variar la velocidad con un generador eléctrico que lo haga posible, siendo los más importantes el generador asincrónico doblemente alimentado y el generador de imán permanente. Para entender la diferencia entre estos dos tipos de turbinas, se hacen referencia a sus características de potencia en función de la velocidad del generador. En la figura 1.6 las características del generador se muestran en negro, con las de turbina para diferentes valores de velocidades. La potencia de salida está dada por la intersección de la característica del generador con la característica de la turbina a una determinada velocidad del viento. Como se puede ver, en este caso, solo es posible extraer el máximo de potencia de viento a una velocidad ligeramente superior a 8m/s. Para una velocidad del viento de 13 m/s la característica del generador hace que solo puedan extraerse 1000 kW cuando a estas velocidades existe una extracción máxima de 1300 kW. Este efecto se acentúa aún más para valores superiores de velocidad del viento.. Figura 1.6- Características de una turbina de viento de velocidad fija 8.

(13) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. Para extraer siempre la máxima potencia es necesario variar la característica del generador, como se muestra en la figura 1.7, donde en función de la velocidad del viento se varía la velocidad del rotor del generador para lograr siempre la potencia máxima. [4]. Figura 1.7-Carácterística de una turbina de viento de velocidad variable Por otro lado, cuando varia el ángulo de ataque de las palas, para alcanzar el máximo de potencia, el sistema de control empieza a aumentar este ángulo que limita automáticamente la potencia entregada manteniéndola constante. Es mucho más eficaz que el anterior, pero más caro. Actualmente, las turbinas de grandes parques eólicos son de velocidad variable y de paso variable. Una de las características más importantes de una turbina eólica es su potencia, en función de la velocidad del viento donde, puede ser vistas muy bien sus 4 zonas operacionales. Una característica de este tipo es mostrada en la figura 1.8.. Figura 1.8- Características de potencia de una turbina eólica y sus áreas de actuación 9.

(14) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. La zona I es el área en la que la velocidad del viento es tan baja que la turbina eólica no suministra energía. La zona II es el área entre el funcionamiento normal de la velocidad de conexión y velocidad nominal. En la zona III la turbina entrega su potencia máxima o nominal, por haber alcanzado la velocidad nominal del viento. Finalmente, la zona IV ocurre cuando se supera la velocidad máxima o la velocidad de corte, el generador es interrumpido y las palas son “rebatidas” para protegerlas. [4]. 1.4 Concepto e importancia de la penetración eólica Existen tres definiciones diferentes sobre ese concepto y eso provoca confusión y malentendidos en muchos de los análisis hechos sobre este tema. Por tanto, es necesario diferenciar bien y destacar la importancia de cada una. Estas definiciones son 3: Penetración de capacidad instalada (PCI): Es la relación entre la capacidad total de las turbinas eólicas instaladas y capacidad total de todo el sistema eléctrico de lo cual hacen parte. Esto es:. PCI . CapacidadTotaldeEnergíaEólica (1.5) CapacidadTotaldelSistemaEléctrico. Penetración de potencia (PP): Es la relación entre la potencia total suministrada en un instante al sistema y la demanda del sistema en este mismo instante.. PP . PotenciaEntregadaporEnergíaEólica (1.6) PotenciaEntregadaTotaldelSistemaEléctrico. Penetración de energía (Pe): Es la relación entre toda la energía eléctrica suministrada por generadores eólicos en un año y el consumo total de energía del sistema en este mismo año.. PE . EnergíaEntregadaporEnergíaEólicaenunAño (1.7) EnergíaTotalConsumidaporSistemaEléctricoenunAño. El PCI es apenas para tener una noción de la potencia máxima que puede ser entregada desde el viento con relación la potencia máxima que puede suministrar el sistema. El PP es una variable dinámica y define, a cada momento, qué por ciento de la potencia demandada por los consumidores es entregada desde el viento. La penetración de energía, Pe es la definición más importante del punto de vista económico, teniendo en cuenta que la finalidad de generación de energía eólica no es. 10.

(15) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. cubrir el pico de demanda (lo cual resulta imposible por las aleatoriedades del viento), sino ahorrar energía. Este factor da una noción del porcentaje de energía ahorrada. [5] No existe un valor estándar de los porcientos que representa la generación eólica en un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) debido a que la penetración depende de las características del SEP, robustez, mix de generación, lugar donde se encuentra el recurso eólico y economía para desarrollar la instalación eólica, por tanto, para tener un guía, serán suministrados en la tabla 1.1 algunos niveles extraídos de la bibliografía. Tabla 1.1: Niveles de penetración eólica [4] Nivel de penetración. PP máximo. PE. Bajo. <50 %. <20 %. Medio. 50-100 %. 20-50 %. Alto. 100-400 %. 50-150 %. La existencia de una penetración mayor del 100% está dada por la posibilidad de entregar energía eléctrica a otro SEP interconectado o a un almacenador de energía (por ejemplo, un sistema de baterías). [6] Los problemas que traen la penetración eólica, dependen de los llamados horizontes de tiempo. Hay cuatro horizontes de tiempo diferentes que dan lugar a los diferentes problemas relacionados con la penetración eólica. Éstos son los siguientes: 1° Del orden de los ciclos. En este caso, se refiere a los problemas de cortocircuito, estabilidad transitoria, caídas de tensión, etc. Ellos tienen que ver con cualquier nivel de penetración. El desarrollo de turbinas eólicas que utilizan conversores estáticos de tensión y frecuencia y los métodos de control modernos hacen que hoy, la presencia de turbinas eólicas en un sistema de energía ayude a mejorar tanto con estabilidad como con la respuesta a súbitas perturbaciones. En cuanto las caídas de tensión, hoy en todos los países europeos tienen reglas que exigen que la turbina permanezca conectada a la red antes de esta perturbación y que suministre tanto energía activa como reactiva para ayudar la recuperación de la tensión. Esto ya es posible, por ejemplo, las turbinas eólicas de la empresa española GAMESA, llamadas a Crowbar activa. 2° De segundos a minutos. Para este momento es importante, los análisis relacionados con la regulación de la tensión y de la frecuencia del sistema. Tienen que ver con cualquier nivel de penetración. Se puede decir lo mismo que en el punto 11.

(16) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. anterior, en diferentes países desarrollados han propuesto métodos de regulación y control, tanto de la tensión como de la frecuencia, incluso superiores al desempeño de los generadores convencionales. 3° De minutos a horas. En esta situación, lo más importante es como la ajustar la variabilidad del viento con la variabilidad de la demanda. Se vuelve más crítico el aumento y nivel de penetración. Para eso deben despacharse unidades generadoras que sean capaces de aumentar o aportar tanto potencia activa como reactiva de forma relativamente rápida, llamada la “reserva rodante” o usar sistemas de control de turbinas capaces de amortiguar las variaciones de la potencia. suministrada por el. viento. 4° Del orden de los días. Los problemas aquí surgen de la necesidad de iniciar y colocar en funcionamiento unidades de plantas térmicas cuya entrada en servicio generalmente lleva algunas horas. Este aspecto está íntimamente relacionado con la correcta previsión de vientos para los días futuros y que implica, un planeamiento adecuado de la reserva rodante y la entrada de unidades. Se vuelve esencial para aumentar el nivel de penetración. [6] Las consideraciones de carácter económicas son las más importantes en las decisiones tomadas con relación a la introducción de la energía eólica en un determinado sistema de energía eléctrica. El problema fundamental no es, si un sistema puede ser operado con seguridad o no, pero si en qué medida los costos de operación de todo el sistema aumentan debido a la presencia de la penetración eólica. La introducción de conversores estáticos ayudó a resolver muchos problemas relacionados con la penetración eólica, aunque existe un aumento del costo de la inversión inicial, en que el balance es siempre positivo, porque, entre otras razones, es que un sistema sin conversor también trae otros gastos como del banco de condensadores para suministrar la potencia reactiva necesaria. Como resultado de estudios realizados por la NREL7, se puede concluir que los costos adicionales de operación del sistema, debido a la penetración eólica, son muy bajos, casi insignificante a un bajo nivel de penetración y algo mayor a un nivel medio. A un nivel alto de penetración, dependiendo en gran parte del nivel de incertidumbre en la previsión del viento, se hace necesario que la predicción de la disminución de los viento se incorpore en la predicción de la demanda. [5][6] El costo por kWh de generación eólica se va limitando drásticamente y es uno de los más bajos en comparación con otros tipos de fuentes de energía, en Estados Unidos está la vuelta de 5 céntimos/$ por kWh sin subsidios estatales denominado en Inglés 12.

(17) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. Producción TaxCredit (PTC). Debe notarse que este es apenas un valor medio, después su valor real, varía mucho, dependiendo de la velocidad media y del tamaño de las turbinas del parque eólico o sistemas híbridos específicos. Por ejemplo, el mismo parque eólico, siendo iguales los demás factores, generará electricidad a un costo de 4,8 céntimos/kWh, con una velocidad media del viento de 7,16 m/s, 3,6 céntimos/kWh, a una velocidad media de 9,32 m/s. Además, siendo los demás factores iguales, una planta de 3 MW irá a generar electricidad a un costo de 5,9 céntimos/kWh y 3,6 céntimos/kWh si la planta es de 5 MW. A fin de reducir aún más los costos los fabricantes de turbinas eólicas están al empezar a implementar la tecnología llamada baja velocidad del viento (low Wind speed Technology). Esta tecnología es propuesta para extraer más energía del viento en locales donde el viento, que durante la mayor parte del año es fuerte, y que con la tecnología convencional no son económicamente viables. Las mejores tecnologías en este sentido son direccionadas para que: 1° El diámetro del rotor de la turbina sea mayor para poder recoger más energía de los vientos flacos con un área mayor, sin aumentar el costo del rotor. 2° Las torres pueden ser más altas para aprovechar la mayor velocidad del viento la mayor altura. 3° Los generadores y conversores eléctricos deben ser más eficientes para operar con cargas bajas, sin aumentar los costos en el sistema eléctrico.. 1.5 Evaluación del potencial eólico La evaluación del potencial eólico permite decidir si se obtendrán o no parques eólicos económicamente viables en una región dada, área o país. Para eso, se deben conocer las características del viento en esa región, zona o país. Los resultados que se alcanzan mediante esta evaluación son la velocidad media anual del viento (normalmente en m/s) y densidad media de potencia del viento en W/m². Para el efecto de la producción de energía eólica los valores que interesan son las medias anuales, debido a que viento no solo cambia constantemente, pero sus valores medios varían de acuerdo con la hora del día y estación del año. [6] La evaluación del potencial eólico de una región o país tiene tres etapas: 1° La elaboración de un mapa de viento desde los datos de viento registrados por las estaciones meteorológicas durante décadas. Estos datos son resultado de mediciones que deben ser realizadas a cada hora, que en la práctica son realizadas cada tres años, con un período de muestreo de 10 min, a 10 m de altura sobre el suelo. 13.

(18) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. 2° La recolección de evidencia ecológica y geológica indirecta de la velocidad y dirección del viento y su clasificación y registro de región de interés, reflectado en un mapa de evidencia ecológica. 3° La detallada ubicación de los lugares probables determinados al menos por una de los dos pasos anteriores. Para este caso se utiliza un anemómetro a 100m de altura, para mediciones de velocidad y dirección del viento por lo menos durante un año. Desde el mapa de viento es posible estimar el potencial energético de los vientos en una región o país completo, o sea, es decidir la escala macroscópica, pero con menor precisión, a que los valores de viento en la mayoría de los puntos del mapa sean determinados por procedimientos de interpolación desde valores dados por estaciones meteorológicas situadas a varios kilómetros de distancia entre sí, con instrumentos y métodos apropiados para fines de previsión meteorológicos. Sin embargo, a pesar de sus limitaciones están estimados a nivel de región o país y son indispensables, para plantear la estrategia eólica por las autoridades gubernamentales. Al contrario de lo que acontece con los demás elementos climáticos, y por su propia naturaleza, el viento requiere dos medidas: velocidad y dirección. Son variables relativamente independientes y medidas por dos instrumentos diferentes: el anemómetro y cataviento. En la figura 1.9 se muestra un dispositivo que incluye ambos elementos: el anemómetro en la paleta derecha y el cataviento la izquierda.. Figura 1.9- Anemómetro y el cataviento Hace algunos años se inventó y fue comercializado el SODAR (Sound Detection and Ranking), o sea, detección y rastreo de sonido, método para la medición remota de la velocidad del viento sobre el suelo. [2] Debido al llamado efecto Doppler el sonido captado por el receptor tiene una frecuencia ligeramente diferente la del transmisor y la diferencia se debe a la velocidad del viento. Al procesar las diferencias entre las frecuencias de las señales emitidas y recibidas, el SODAR puede medir con precisión la velocidad del viento en tres dimensiones. Pueden medir velocidades de 25 m/s, con un error inferior a 0,8% a una 14.

(19) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. altura comprendida entre 50 m y 900 m del suelo, con un tiempo de muestreo de 10 minutos. [8] A pesar de sus ventajas, no alcanzó una aplicación extendida en la determinación del potencial eólico debido a su precio y sus limitaciones en regiones con alta temperatura y baja humedad relativa del aire.. 1.6 La turbulencia, la localización de las turbinas y clasificación según IEC8 Se denomina turbulencia del viento a cambios rápidos de dirección y velocidad del viento y se manifiesta mediante el aparecimiento de remolinos al pasar por barreras naturales o artificiales. Está relacionada con los cambios bruscos, caóticos y desordenados de la velocidad y dirección del viento asociadas con el flujo de aire en torno a obstáculos. El efecto de la turbulencia es un fenómeno indeseable que reduce la producción de energía eléctrica y vida útil de turbinas eólicas. Por esto, es necesario tener conocimientos básicos sobre él para reducir sus efectos negativos y eso se tiene en cuenta a hora de escoger el lugar y el tipo de turbina a ser utilizada en el parque eólico. Para eso, el lugara instalar generación eólica debe reunir las siguientes características: •. Alta velocidad media del viento (mayor que 5 m/s). •. Buena exposición sin obstáculo del flujo de aire. •. Variaciones diurnas y estacionales moderadas de la velocidad del viento. •. Niveles aceptables de turbulencia y vientos extremos. Para mantener niveles aceptables de turbulencia se toman las siguientes medidas: •. Las turbinas eólicas deben estar apartadas de edificios, árboles y otros. obstáculos •. La torre de la turbina eólica debe ser mayor que los obstáculos a su alrededor o. aprovechar alguna elevación para hacerlo •. El rotor de la turbina eólica debe ser expuesto al viento en todas las. direcciones, especialmente en las direcciones predominantes. Una regla práctica a continuación es que el centro de la turbina de viento debe ser de por lo menos 10 m arriba de cualquier obstáculo adentro de un radio de 10 M. [1] [2]. 15.

(20) CAPÍTULO 1. El VIENTO Y LA ENERGÍA EÓLICA. La turbulencia se expresa mediante una variable denominada intensidad de turbulencia (I), es definida como la relación entre la velocidad (calidad) del viento y de la velocidad media temporal del viento durante ese período Vmed:. I.  Vmed. (1.8). La comisión Electrotécnica Internacional (IEC Internatonal Electrotechnical Comission) definió en su norma IEC 61400-1, cuatro tipos de turbinas eólicas, de acuerdo con su actitud de resistir, sin deterioro excesivo, la acción mecánica del viento. Las turbinas de clase I son las más fuertes (y más caras) y turbinas eólicas de la clase IV son menos fuertes, pero también las más baratas. Estas clases abarcan la mayoría de las condiciones de viento al cual se sometieron a estas turbinas y, así, sirven de referencia para la construcción de turbinas eólicas capaces de operar sin fallos por espacio de 20 años. Cada clase se caracteriza principalmente por dos parámetros: 1° Velocidad de Referencia Vref, definida como la velocidad extrema del viento sostenida durante un período de 10 minutos, que puede ocurrir estadísticamente cada 50 años; 2° La velocidad media anual del viento. Además, la misma norma establece que cada clase se presenta en dos categorías: A y B de acuerdo con la intensidad de la turbulencia que son capaces de resistir. Las turbinas eólicas de clases A pueden aguantar una turbulencia mayor a una intensidad típica de 0,18 y los de clase B una turbulencia menor 0,16. [2] En la tabla se muestran los parámetros de cada clase de turbina eólica. Tabla 1.2 Clases de aerogeneradores Clases. I. II. III. IV. Vrer en m/s. 50. 42,5. 37,5. 30. Vmeden m/s. 10. 8,5. 7,5. 6. 16.

(21) CAPÍTULO 2. ENERGÍA EÓLICA, SISTEMAS DE GENERACIÓN. CAPÍTULO 2. ENERGÍA EÓLICA, SISTEMAS DE GENERACIÓN Introducción La generación eólica ha evolucionado a medida que la penetración de este tipo de fuentes en los (SEPs) ha ido en aumento. La comunidad científica internacional ha dedicado investigaciones relevantes al desarrollo de aerogeneradores que permitan un mejor aprovechamiento de la energía del viento y una mejor inserción de este tipo de fuentes a los SEPs.[1][5]. 2.1 Tipos de Generación de Energía Eólica Los tipos de generadores utilizados en turbinas eólicas y su forma de conexión son obtenidos mediante las siguientes consideraciones: - Tienden a usar turbinas grandes según las leyes de economía de escala: fundiciones, obras civiles, la conexión a la red, control y muchos componentes de los costos de turbinas son generalmente independientes del tamaño de la máquina. Los costos de mantenimiento también son prácticamente independientes del tamaño. Además, una turbina eólica en alta altitud es mejor utilizada. Esta es la razón por la que los generadores de CA de gran potencia, con un rendimiento que aumenta con su potencia nominal, se eligen. - Se supone que las máquinas grandes son capaces de absorber y entregar la energía reactiva necesaria. Además, en la red permanecen fijas la tensión y la frecuencia. Están actualmente en varios parques eólicos generando las siguientes tecnologías: Asincrónico •. Rotor de jaula. •. Máquina sincrónica doblemente alimentada. Sincrónicos •. Sincrónico ordinario. •. Sincrónico con excitación imán permanente. 2.2 Sistema con generador asincrónico en jaula y velocidad constante Los generadores de jaula de velocidad constante tienen dos modelos: máquinas de velocidad o de dos velocidades, cuyo objetivo es extraer más energía a baja velocidad del viento. Este tipo de máquina normalmente es construida de 4 ó 6 polos. La figura 2.1 muestra la topología más fácil y económica para una turbina eólica. 17.

(22) CAPÍTULO 2. ENERGÍA EÓLICA, SISTEMAS DE GENERACIÓN. Consiste de un generador de inducción con rotor de jaula conectado a la red a través de un transformador de potencia.. Figura 2.1- Generador Asincrónico de rotor de jaula y un transformador de conexión a la red La desventaja de esta configuración es que se limita el deslizamiento generalmente a un valor máximo del 2%, para evitar valores de corriente elevados y asegurar un funcionamiento estable y eficiente. Asimismo, el rotor de turbina debe ser girado a una velocidad aproximadamente constante, lo que reduce la energía extraída desde el viento. La turbina que opera una velocidad substancialmente constante no estará trabajando en condiciones ideales del proyecto, este caso ocurre solo en raras ocasiones. Este tipo de sistema, a fin de ser capaz de extraer energía a bajas velocidades del viento, es generalmente usado como máquinas que poseen dos velocidades, o dos bobinas del estator con diferentes números de polos. Para el segundo caso (Generador asincrónico con doble rotor, jaula y estator), el estator es construido con dos enrollados trifásicos independientes: el primero con bajo número de polos para aprovechar la energía y alta velocidad de viento y segundo para aprovechar los vientos también de baja potencia y velocidad. [6][9]. La figura 2.2 a continuación muestra el diagrama correspondiente para esa configuración:. Figura 2.2- Generador Asincrónico rotor jaula de enrollamiento con dos conexiones 18.

(23) CAPÍTULO 2. ENERGÍA EÓLICA, SISTEMAS DE GENERACIÓN. Estos sistemas mantienen una velocidad constante, pero permite a la turbina dos velocidades. Es una topología económica y un punto intermedio entre el caso del de velocidad fija y los sistemas de velocidad variable. En lo que se refiere al generador con un único enrollado de estator, de configuración de dos velocidades tiene la ventaja de que el ruido producido por una baja velocidad del viento es reducido, pero la energía suministrada a la red aún es fluctuante.. 2.3 Sistema basado en generador asincrónico y velocidad variable La diferencia con el caso anterior es la conexión a la red, que en este caso, es realizada por medio de un convertidor back to back, como se muestra en la figura 2.3, lo que aumenta significativamente el costo del sistema. Este convertidor es compuesto por dos conversores de fase cada una formada por seis transistores de potencia, IGBT anti-paralelo o seis diodos de potencia convencionales.. Figura 2.3- Generador asíncrono de rotor jaula de velocidad variable Uno de los conversores recibe al generador de energía eléctrica, que generalmente opera con tensión y frecuencia variable, rectifica y convierte a corriente continua (CC). El otro conversor de energía recibe y convierte la corriente continua en corriente alterna (AC), generalmente a una red de tensión y frecuencia constante. Este tipo de conversor tiene la ventaja que puede funcionar tanto como rectificador o como inversor. Además, la corriente puede estar tanto atraso como en adelanto con respecto a la tensión permitiéndose que pueda recibir o suministrar energía reactiva. La introducción de tales convertidores en la generación eólica tuvo gran importancia en su desarrollo, una vez que permitió dos cosas muy importantes: 1° Capaz de trabajar en el generador de velocidad variable, para hacer que en cada. 19.

(24) CAPÍTULO 2. ENERGÍA EÓLICA, SISTEMAS DE GENERACIÓN. velocidad del viento, la potencia transmitida sea maximizada por lo que existe una velocidad de giro de la turbina de viento, que da una potencia máxima transmitida para la red. 2° Puede entregar potencia reactiva al sistema eléctrico, ayudando a mantener la estabilidad de la tensión en el PCC. Una limitante de esta tecnología es que la capacidad de convertidos debe ser igual a la de la máquina, aumentando el costo de la turbina eólica. [9]. 2.4 Sistema basado en generador asincrónico doblemente alimentado La figura 2.4 corresponde al diagrama de un generador asincrónico doblemente alimentado (DFIG). Como puede verse, no existe una máquina asincrónica de enrollado en el rotor, en que el convertidor back to back esté en el rotor y la conexión de red es directamente al estator y a través del inversor y un transformador.. Figura 2.4- Generador asincrónico doblemente alimentado (GADA) En verdad, ambos convertidores pueden operar como rectificador, inversor y pueden, por tanto, a través del rotor, extraer energía desde la red y suministrar energía para la red. Si la energía del rotor es extraída de la red, opera a una velocidad mayor que la sincrónica y si la energía es suministrada a la red, entonces la velocidad es inferior a la sincrónica. Esta capacidad de operar a una velocidad variable y suministrar energía para un sistema de tensión constante y frecuencia es muy importante para la producción de energía eólica lo que conlleva a maximizar la energía extraída del viento. En la figura 2.5 muestra las características mecánicas de la máquina para diferentes valores de tensión de control en el rectificador. Es posible operar como motor en el. 20.

(25) CAPÍTULO 2. ENERGÍA EÓLICA, SISTEMAS DE GENERACIÓN. primer cuadrante y en el segundo cuadrante, como generador.. Figura 2.5 Características mecánicas de la máquina para diferentes valores de tensión de control en el rectificador En este tipo de generador, el enrollado de campo es sustituido de corriente directa a imanes. permanentes.. Eso. reduce. los costos. para. eliminar. problemas. de. mantenimiento asociados con anillos y escobillas. También desaparecen las pérdidas por efecto de Joule en la bobina del rotor, lo que ayuda aumentar el desempeño de la máquina. El mismo convertidor acoplado directamente se muestra en la figura 2.6.. Figura 2.6- Generador sincrónico de imán permanente Los imanes permanentes pueden ser ubicados en un rotor cilíndrico de aluminio, que es significativamente más barato y más recio que el rotor de un alternador convencional, de modo que, para un diámetro dado, es posible aumentar el número de polos de la máquina. Sin embargo, los imanes permanentes aún son caros, a pesar de la caída de precios en los últimos años. La desventaja de esta implementación es que, si ocurre un fallo en la red, el torque electromagnético disminuye considerablemente y por tanto la velocidad va a aumentar drásticamente. A medida que el campo es constante, este aumento en la velocidad va 21.

(26) CAPÍTULO 2. ENERGÍA EÓLICA, SISTEMAS DE GENERACIÓN. a provocar sobretensiones en el devanado del estator obligando así a la desconexión de la red. La ventaja de este sistema es que, con muchos polos la caja de multiplicación se elimina. La desventaja es que la unidad debe ser de mayor tamaño. [9]. 2.5 Sistema basado en el generador de reluctancia conmutado Las máquinas con generador de reluctancia conmutada (GRC) son recias y altamente eficientes y son adecuadas para operar en altas velocidades de viento o bajas, es decir que cumplen un rango de operación que las hace atractivas en lugares donde la velocidad del viento es inestable. El convertidor GRC es simple y, por consiguiente, menos caro del que el convertidor tradicional y el GRC también puede ser concebido con un número elevado de polos con un radio de menor diámetro, reduciendo el tamaño del generador a velocidades bajas. Estas dos ventajas tornan el GRC un concurrente con gran potencial de aplicación de turbinas eólicas de velocidades variable. En la figura 2.7 la sección transversal del GRC con ocho polos del estator y seis polos del rotor mostrado. El GRC es hecho de placas de hierro en el estator y rotor. Cada polo del estator aguanta apenas una fase. Los devanados diametralmente opuestos son conectados en serie y operan como una unidad única.. Figura 2.7-Seccion transversal de un GRC Hay dos características en el GRC que merecen mención: En primer lugar, en comparación con la mayoría de los generadores convencionales, el GRC puede ser fabricado con un gran número de polos en la estructura de la bobina. Como segunda característica, la estructura polo GRC puede ser proyectado para aguantar la operación unidireccional, sin aumentar los costos. Las implicaciones de estas características son importantes para aplicaciones en la obtención de energía eólica. Para comenzar, las aplicaciones de turbinas eólicas que operan a baja velocidad necesitan un gran número de polos, esto puede lograrse 22.

(27) CAPÍTULO 2. ENERGÍA EÓLICA, SISTEMAS DE GENERACIÓN. perfectamente con este tipo de generador. Hay dos modelos básicos para excitar el GRC. El primero es a través de una fuente de tensión y la segunda es utilizar una fuente de corriente. Aunque la implementación específica en función del fabricante puede variar, los principios son los mismos. [5]. 2.6 El análisis comparativo de los diferentes sistemas El generador asincrónico de velocidad fija es el de peor desempeño. Es de costo más bajo pues debido a que no tiene convertidor electrónico carece de mecanismo para controlar el ángulo de las palas. En cuanto al comportamiento ante la ocurrencia de fallas se dice que no es de los peores pues aunque el generador de inducción es seguro y no tiene escobillas, la caja reductora si puede presentar afectaciones. La frecuencia del mantenimiento es comparable con las otras tecnologías pues se hace necesario el mantenimiento de la caja reductora, cambio de aceite y filtros. Su tamaño y peso es el menor. Respecto a la conexión a la red, es de los tipos analizados el más desventajoso pues necesita un capacitor para el suministro de potencia reactiva. Otro aspecto no deseado es que al ser directa la conexión a la red, las intermitencias en la entrega de potencia por la variabilidad del viento son transmitidas a la misma. Estas variaciones también afectan considerablemente la caja, resultando en problemas mecánicos en el elemento. Otros de los factores negativos en la imposibilidad de controlar tensión, un aspecto que ha condicionado el desarrollo de los aerogeneradores. Mientras al generador asincrónico de jaula de velocidad variable tiene un convertidor back to back cuya potencia es 100% de la máquina. En comparación con el imán permanente, el costo del convertidor es el mismo. Comparado con el generador asincrónico doblemente alimentado (DFIG, emplea una máquina más simple y más barata, pero el costo del convertidor es mayor, esta es la razón por la que no es utilizado industrialmente. El DFIG tiene un buen desempeño, aunque menor que el de las máquinas sincrónicas de imanes permanentes. La potencia nominal del convertidor nunca es superior a 50% de la potencia del motor, porque se diseña para extraer o suministrar la potencia del rotor. La probabilidad de fallo es la más alta de los tres al tener puntos de fallos en la caja de velocidades, rotor, escobillas y un convertidor electrónico de potencia. Por tanto en cuanto al mantenimiento también es el peor de los tres, pues es necesario cambiar el aceite de la caja, los filtros y las escobillas. Puede absorber o producir energía reactiva, aunque su gama de variación depende del dimensionamiento del conversor. El control de frecuencia también es posible, actuando sobre el convertidor 23.

(28) CAPÍTULO 2. ENERGÍA EÓLICA, SISTEMAS DE GENERACIÓN. del lado del rotor (rectificador), que hace variar la salida de potencia. El generador de inducción de velocidad variable o DFIG requiere dos inversores (del lado del generador y del lado de la conexión de red), lo que requiere un total de 12 interruptores totalmente controlados. [9] El generador sincrónico con rotor de imán permanente es una máquina de gran tamaño y peso. Sin embargo es la de mayor eficiencia eléctrica, además ofrece mejor desempeño en términos de tasa de fallos y mantenimiento. En el caso del rotor de imán permanente no son necesarias las escobillas cepillas. [9] El generador de reluctancia conmutada (GRC) es la opción ideal para el futuro y tiene muchos beneficios de insertarse eficientemente a los sistemas de producción de energía eólica, entre esos beneficios esta reducir los costos, alta eficiencia y mejora la confiabilidad. Considérese que el inversor fuente de corriente (CSI) o el fuente de tensión (VSI) son hasta 30% más baratos que convertidores para sistemas con generador de inducción de velocidad variable. La diferencia de costos entre el GRC y el generador de inducción son mucho más pequeñas. La construcción del GRC comparado con el generador de inducción es más barata, debido a la ausencia de bobinas del rotor y la estructura simple que presentan los devanados. Además de la diferencia de costos del propio generador, el sistema VSI y CSI son menos caros que los sistemas de accionamiento para el generador de inducción de velocidad variable. [9] A pesar de todas estas ventajas, aún hoy esa topología no es utilizada, estudiándose posibilidades para el desarrollo e implementación futura.. 24.

(29) CAPÍTULO 3: PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO. CAPÍTULO 3: PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO Introducción Un parque eólico conectado a la red es configurado a través del conjunto integrado de diversas turbinas de viento, eléctricamente conectados a través de sus propias redes eléctricas, compartiendo la misma instalación de infraestructura de acceso y control. La conexión con la red de distribución de energía eléctrica es realizada por la transformación de la tensión a la que se genera a la de la red correspondiente, de acuerdo con las capacidades técnicas de las redes existentes y de la propia instalación.. 3.1 Concepto y características de los parques eólicos A fin de determinar la configuración de un parque eólico deben tomarse en cuenta los aspectos del viento (velocidades medias, direcciones predominantes, turbulencia y vientos extremos), la disposición de las máquinas, la distancia entre ellos y una turbina eólica propia, como el tamaño, tipo y altura de las características de la torre. Como regla general, la separación entre las turbinas eólicas en un parque eólico es de 5 a 9 veces el diámetro del rotor en la dirección de los vientos predominantes, es decir la separación entre las columnas de turbinas responde a este criterio, mientras la separación entre turbinas de la misma fila está entre 3 y 5 veces el diámetro del rotor de una unidad. En la figura 3.1 están localizadas cuatro filas de turbinas. Las turbinas son colocadas 5 veces el diámetro del rotor en la dirección de vientos dominantes y 3 veces el diámetro del rotor en la dirección perpendicular a la dirección de los vientos predominantes. [16]. Figura 3.1- Vista de planta del parque eólico 2x15 MW 25.

(30) CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO. Los requisitos a ser considerados para la instalación, mantenimiento preventivo y reparación de turbinas eólicas en locales remotos definen la estructura de un parque eólico. La determinación del tipo y capacidad de turbina, así como la cantidad de estas en un parque eólico se determinan siguiendo criterios técnico-económicos. El funcionamiento de las turbinas de viento conectadas a una red eléctrica, debe responder a algunos criterios técnicos fundamentales, entre ellos el voltaje y la frecuencia. En función del punto dentro del SEP al cual se conectan los parques eólicos, el mantenimiento del voltaje y la frecuencia se torna como un tema esencial a seguir. Las primeras aplicaciones de la energía eólica, buscaban solo aprovechar los beneficios de la naturaleza y transformarlos en una energía limpia y utilizable. A medida que la inserción eólica aumentó, el compromiso de estas unidades con los parámetros de calidad del SEP también aumentó. Las turbinas de viento se tienen que adaptar a situaciones de mejor utilización de los vientos locales existentes, o sea, sacar provecho de los vientos más bajos que pueden ocurrir en áreas más accesibles, lo que significaría menores costos de instalación. Los equipos de control sofisticado, control remoto y manejo y seguimiento remoto permitirán una exploración más racional de los parques eólicos y garantizan una mejor calidad de la señal de la energía suministrada a la red. Estos temas se complican cuando por determinadas cuestiones se pasa a trabajar en isla, es decir, la única alimentación disponible es el parque eólico. Los parques eólicos son clasificados de acuerdo con su potencia relativa en comparación con el sistema eléctrico a lo cual se conectan, entonces son divididos en tres grupos: independientes, conectados a una red débil y conectada a una red fuerte. Un parque eólico es considerado independiente cuando la potencia de este es superior a la potencia de cortocircuito en el punto de conexión común (PCC) con el SEP. En la práctica, se considera que un parque eólico perteneciente a esta clase, cuando potencia exceda al menos cinco veces la potencia de cortocircuito del PCC: Pp=5Ps. Este tipo de proyecto se justifica generalmente en áreas remotas, generalmente desprovistas redes de distribución. El tamaño y tipo de la instalación depende apenas de las necesidades del usuario, generalmente se instalan solo pequeñas turbinas eólicas y muy cerca de los centros de consumo. Este tipo de SE generalmente exige la existencia de un conjunto de baterías con el objetivo de hacer que el SE se torne más fiable, para el caso en que disminuya la velocidad de los vientos por debajo de las velocidades de operación de las turbina. Es preciso aclarar que estas baterías debes ser útiles además en el caso de rachas fuertes que obliguen a la desconexión de los 26.

(31) CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO. aerogeneradores. Un parque eólico se dice que se conecta a una red débil cuando su potencia nominal es aproximadamente igual a la potencia de cortocircuito de la red a la cual se conecta. Esta situación es característica de pequeños sistemas eléctricos en regiones alejadas. Muchas veces, los otros generadores son accionados por motores a diesel. En este caso, el uso de energía eólica ahorra combustible diesel. Los grupos electrógenos de diesel pueden ser sincronizados solamente cuando no hay viento o pueden trabajar en paralelo con el parque eólico cuando el viento es débil. [16] Un parque eólico se conecta a una red fuerte cundo su potencia es al menos 5 veces menor que la potencia de cortocircuito en el PCC. Estas tres condiciones influyen en la selección de las características de los parques eólicos a instalar.. 3.2 Energía Eólica (Ventajas y Desventajas) A pesar de las aparentes ventajas de la energía eólica existen también sus desventajas. Las principales ventajas de la energía eólica: •. Es inagotable;. •. Poco mantenimiento;. •. No emite gases contaminantes ni genera residuos;. •. Disminuye la emisión de gases de efecto de invernadero;. Las principales desventajas de la energía eólica: •. La intermitencia, o sea, no siempre el viento sopla cuando la electricidad es. necesaria, tornando difícil la integración de su producción en el programa de exploración; •. Provoca un impacto visual considerable, la instalación de los parques eólicos. genera una gran modificación del paisaje; •. Impacto sobre las aves del local: principalmente por el choque de estas en las. palas, efectos desconocidos sobre la modificación de sus comportamientos habituales de emigración; •. Impacto sonoro: El sonido del viento bate en las palas produciendo un ruido. constante. Las habitaciones más próximas vendrán a estar, por lo menos a 200m de distancia. 27.

(32) CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO. 3.3 Fases del desarrollo de un proyecto de parque eólico Los principales pasos para el desarrollo de un proyecto eólico conectado a la red son: 1.. Identificación. 2.. Medición. 3.. Evaluación de los recursos eólicos. 4.. Ingeniería y proyectos. 5.. Estudio de impacto ambiental. 6.. Las autorizaciones y licencias al amparo de la legislación actual en el país. 7.. Construcción de parque. 8.. Explotación. La identificación responde a la selección previa de un lugar por experiencias anteriores, observaciones y mediciones meteorológicas que avalen la existencia de vientos con potencial de generación eólica. La medición comienza con la elección de uno o más puntos adecuados en el área seleccionada, continúa con la selección e instalación de instrumentos apropiados para medir el viento y continúa con la recogida de datos que debe ser realizada de forma continuada durante un período de por lo menos un año. La evaluación de los recursos de viento se realiza cuando se tienen medidas de al menos un año. Se introducen los datos en paquetes de software que predicen el comportamiento de la generación eólica en determinados, es por esto que estas evaluaciones deben basarse en mediciones de varios puntos dentro de las áreas identificadas. En la fase de ingeniería y proyectos, los resultados de la evaluación del recurso eólico se traducen en capacidad, localización, tipos de turbinas eólicas y altura de la torre adecuada. Además se puede estimar la producción de cada turbina y hacer un análisis de viabilidad económica y financiera. El estudio de impacto ambiental es esencial en el mundo de hoy, debido a la importancia de la preservación y conservación del medio ambiente y compromisos de los organismos internacionales con todos los gobiernos. Realmente estos estudios son iniciados desde la primera fase y sus restricciones deben ser consideradas en todas las fases del proyecto. En esta tesis son discutidos apenas los aspectos más importantes de las fases de proyectos de evaluación de recursos eólicos y de. 28.

(33) CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO. ingeniería. [1][16]. 3.4 Evaluación de recursos eólicos Para la evaluación de los recursos eólicos se deben hacer mediciones de la velocidad del viento por un año en 16 direcciones diferentes para formar la Rueda de los Vientos y determinar la frecuencia de ocurrencia de estos en cada sentido y su valor medio. Estos resultados pueden ser vistos en la tabla 3.1 Tabla 3.1- frecuencia de ocurrencia de los vientos y del valor medio en las 16 direcciones de la rueda de los ventos Velocidad Orietación. Frecuencia en %. media en m/s. N. 5,05. 5,5. NNE. 5,88. 6,885. NE. 8,245. 7,22. ENE. 7,65. 7,118. E. 7.931. 7,703. ESE. 7,623. 6,049. SE. 7,644. 6,042. SSE. 8,058. 5,702. S. 9,568. 5,675. SSO. 11,781. 7,130. SO. 14,065. 7,039. OSO. 14,065. 6,599. O. 6,633. 6,635. ONO. 5,508. 5,760. NO. 4,264. 5,878. NNO. 6,700. 5,733. La velocidad media es entonces calculada desde los datos presentados en esta tabla por sumatoria del producto de las frecuencias y las intensidades dividida por el número total de registros. 16. Vm . fV i 1. i.. 16. i.  6,41 m / s. (3.1) 29.

(34) CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO. Este valor debe ser mayor que 5m/s para que la instalación eólica se justifique. Según lo explicado en el capítulo I, la potencia extraída del viento es proporcional al cubo de la velocidad y realmente lo que interesa es el producto de la frecuencia de ocurrencia (normalizados), por el cubo de la velocidad, como muestra en la tabla 3.2. En este caso, la frecuencia de ocurrencia en cada dirección del viento es normalizada dividiéndola por la suma de cada una de las 16 frecuencias logradas. Con estos valores se logra una rueda de los vientos que permite identificar la posición de los aerogeneradores dentro del parque eólico. Para este caso estos valores se muestran en la tabla 3.2 y la rosa de los vientos en la figura 3.2. Se observa que en lo SO (suroeste) la velocidad y la dirección del viento son más elevados que en otras direcciones. En la tabla 3.2 se muestran las mediciones para obtener la rosa de los vientos con la frecuencia de éstos. Tabla 3.2 Datos para la rosa de los vientos con la frecuencia de éstos Frecuencia. Velocidad media. Frecuencia. en %. en m/s. normalizada. 5,05. 5,5. 0,03864845. 6,430. 5,88. 6,885. 0,04500057. 14,686. 8,245. 7,22. 0,06310029. 23,748. 7,65. 7,118. 0,05854667. 21,114. 7.931. 7,703. 0,0606972. 27,742. 7,623. 6,049. 0,05834003. 12,912. 7,644. 6,042. 0,05850075. 12,903. 8,058. 5,702. 0.06166915. 11,432. 9,568. 5,675. 0,07322542. 13,383. 11,781. 7,130. 0,09016186. 32,680. 14,065. 7,039. 0,10764168. 37,541. 14,065. 6,599. 0,10764168. 30,932. 6,633. 6,635. 0,0507634. 14,827. 5,508. 5,760. 0,0421536. 8,055. 4,264. 5,878. 0,03263307. 6,627. 6,700. 5,733. 0,05127616. 9,661. fnor.v3. 30.

(35) CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO. Figura 3.2- Rosa de los vientos de la potencia extraída De la figura 3.2 y de la tabla 3.2 se puede apreciar que para este caso de estudio predominan los vientos desde el norte hacia el sur-sureste.. 3.5 Determinación de la altura de la torre Esa evaluación fue hecha de acuerdo con los datos logrados con los dispositivos de medición de vientos localizados a 10 metros de altura. Pero el aumento de la altura de la torre aumenta a su vez la inversión inicial por lo que se hace necesario logran un compromiso entre la potencia extraída y la economía de la instalación. Se sabe que existen valores prácticamente estandarizados de alturas de la torre que están entra los 50 y 100 metros. Para el cálculo de la velocidad a la altura deseada se procede de la siguiente manera:. V  H    VO  H O . . (3.2). Donde Vo es la velocidad del viento a la altura Ho, en este caso de 10 metros, H la altura en la que se desea calcular la velocidad y α es un factor que depende de la rugosidad del terreno y varía desde 0,0002 para un terreno completamente liso a 1,6 para un terreno muy accidentado y con obstáculos. Se selecciona para este caso 0,15 correspondiente a un terreno casi plano con algunos pequeños obstáculos. Con esta información es posible determinar los nuevos valores de energía suministrada a través del aumento de la velocidad al cubo. Sin embargo, también se debe considerar el aumento del costo debido al aumento de la altura de la torre. Mediante la ecuación 3.3 es posible calcular el aumento del costo de cada metro de altura con respecto a los 60 m: Coste  100  0,25.h. (3.3). Se considera que el costo aumenta en 0.25 % por cada metro que aumente la altura 31.

(36) CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO. de la torre. Por ejemplo, para una torre de 78 metros el costo aumentado es: Coste  100  0,25.18  104,5%. Usando las expresiones 3.2 y 3.3 es posible obtener una tabla que muestra los valores de altura, potencia, incremento del costo y que permite obtener el compromiso entre la potencia extraída y el costo de la instalación del parque. Los resultados se encuentran en base de una altura de la torre de 60 metros. Tabla 3.3: Comparación de los costos de energía producida para diferentes alturas de la torre Vm Caso. Vm3. H (ec 4.2). % de Potencia. % de Costo. Relación Potencia/costo. 1. 100. 9,054. 742,29. 125,84. 110. 1,144. 2. 78. 8,723. 663,77. 112,53. 104,25. 1,079. 3. 67. 8,526. 619,88. 105,10. 101,75. 1,033. 4. 60. 8,386. 589,85. 100. 100. 1. De acuerdo con estos resultados, se verifica que la altura de la torre que da el mejor compromiso entre potencia y costo es de 100 metros. Este tipo de torre está compuesta de cinco secciones de 20 metros y pesa cerca de 280 toneladas.. 3.6 Selección de turbinas eólicas y localización La localización de este parque eólico responde al potencial eólico en esta zona donde se pretende la conexión de 15 turbinas según la disposición física mostrada en la figura 4.1 y cada una de estas turbinas de 2 MW. Existe un convenio con la firma ENERCON para aerogeneradores clase III. [18] Los datos de esta turbina pueden verse en la tabla 3.4 Teniendo en cuenta el diámetro y por la descripción hecha en el epígrafe 3.1 ilustrada en la figura 3.1 se puede calcular la distancia entre las turbinas y entre cada cola de turbinas que se encuentran formando parte del parque: La distancia entre turbinas se calcula como (3.4) (3.5) Dónde: 32.

(37) CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO. Dt-t es la distancia entre Turbina y Turbina Df-f es la distancia entre las filas de turbinas Tabla 3.4 Datos técnicos de la turbina ENERCON de 2 MW Rotor Diámetro(m). 82. Área de barrido(m2). 5,281. Altura de la torre(m). 78. Velocidad de rotacion(rpm). 6-17,5. Sentido de Rotación. Sentido horario. Tipo de acoplamento. Directo(sin multiplicador). Tipo de generador. Imanes permanentes. Potencia(MW). 2. Tensión (V). 690 Palas. Número de palas. 3. Largo(m). 41. Material. Resina de fibra de vidrio pre-impregnado. En la tabla 3.4 puede verse el valor del diámetro de estas turbinas con potencia igual a 2 MW, lo que implica que es necesario tener mucha área para la implementación del parque con las 15 máquinas Dt-t= 234 m. Df-f= 390 m. El área total AT necesaria para el emplazamiento será:. Dónde: F es el número de filas de turbinas Tf es turbinas por colas El área necesaria para este parque es de:. Lo que representa el área física ocupada por las máquinas más una banda de espacio por los 4 lados para evitar el efecto Estela y las turbulencias por objetos próximos a la instalación La figura 3.3 muestra la característica de esta turbina eólica dada por el fabricante y la 33.

(38) CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE PARQUE EÓLICO. Figura 3.4 muestra la salida góndola con sus componentes internos.. Figura 3.3- Característica de la potencia de 2MW generador ENERCON. Figura 3.4- componentes internos Góndola de 2MW generador ENERCON Como fue mostrado en la figura 3.1, las turbinas son colocadas en filas perpendiculares colocadas en la dirección predominante del viento, que es al suroeste como está establecido. La disposición está referida en triangulo para evitar la interferencia entre las turbinas. El espacio entre las líneas es el mínimo necesario para evitar casos de eventuales turbulencias y lograr el viento en la potencia máxima disponible en cada turbina. Este tamaño de la fila corresponde a 5 veces el diámetro de la turbina eólica y la distancia entre molinos a 3 veces el diámetro. [18]. 3.7 La producción de energía desde parque Para determinar la producción anual de energía eólica se utiliza la distribución de probabilidades de Raleyh en función de las velocidades, semejante a la descrita en la figura 1.1, pero con el valor medio calculado ya de manera real de 6,41m/s. Esta 34.