Nota en PDF - Electro Sector

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ENTREGA 1
Principios de conversión de
energía eólica
Elaborado por Diego Oroño, Martín Sapio, Gustavo Terzano y Andrés Vázquez, Facultad de Ingeniería, UdelaR, Instituto de
Ingeniería Eléctrica, Uruguay.
Introducción
En este capítulo y en especial en las siguientes secciones se desarrollará un estudio del comportamiento de la aeroturbina y de la conversión de energía eólica, estudiando cómo influyen tanto en
el torque como la potencia desarrollada por la máquina entre otros aspectos.
Para modelar el torque y la potencia de
la aeroturbina se puede considerar un
esquema con entradas y salidas como
el de la fig. 1.
Entrada de
energía/velocidad
del viento
ωr , β, Ψ
Variables de
estado de máquina
Turbina
eólica
Figura 1. Entradas y salidas de la aeroturbina
nidos más adelante).
• Cantidades de salida de la turbina co-
• Velocidad del viento (entrada inde-
mo potencia o torque (las cuales pueden ser controladas).
1
La potencia y el torque de una aeroturbina pueden ser determinadas de varias maneras.
Una de ellas es considerando un tubo de
aire circundante con simetría axial (como se estudia en la siguiente sección),
El sistema de accionamiento mecánico incluye el eje, embragues y engranajes
24 |
Cantidades de salida
de la turbina
Cantidades de entrada
específicas de la máquina
Geometría del rotor
Este esquema se puede subdividir como:
pendiente), la cual determina la energía de entrada.
• Cantidades de entrada específicas de
la máquina (geometría del rotor).
• Variables de estado como pueden ser
velocidad de la turbina, ángulo de pitch
(ángulo de paso de pala) y ángulo de
orientación(ángulo de guiñada) (defi-
P, T
el cual permite determinar las condiciones del flujo local y las fuerzas resultantes o la acción rotacional sobre las palas de la turbina [9].
Como se puede observar en la fig. 2, las
palas de una aeroturbina, extraen parte de la energía del aire que atraviesa la
misma y la convierten en energía rotacional para luego entregarla a través de
un sistema de accionamiento mecánico(1)
al rotor del generador y luego al estator
del mismo generador por medio de una
conversión electromecánica. La energía
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Wind energy
converter
Rotor
blades
Torque and
speed
converter
Mechanical-electrical
converter
Wind
speed V
Flow energy
of the air
Generator
Mechanical
drive train
(gearbox, etc.)
Switching and
protective equipment
Transforme,
power lines,
mains
Consumers,
storage
Control and
supervision
Kinetic energy
Mechanical energy
Electrical energy
( active pow er)
Figura 2: Cadena funcional y etapas de conversión de un conversor de energía eólica
eléctrica del generador se entrega a la
red, a los consumidores o a algún sistema de almacenamiento de energía a
través de un sistema de switcheo y protección, líneas y en caso de ser necesario un transformador .
Es ineludible antes de entrar en detalle
en los puntos anteriormente mencionados, que se realice un análisis a fondo
del recurso natural, en este caso el viento, el cual es la fuente de la energía eólica. Se analizarán distintos modelos del
viento, así como su velocidad media, su
distribución de velocidades, el gradiente de velocidades y las diversas causas
y fenómenos que lo afectan como la influencia de las condiciones atmosféricas,
el tipo de terreno, la altura, la ubicación
geográfica y otras variables que determinan su comportamiento.
Recurso natural
El recurso natural, en este caso el viento, está caracterizado fundamentalmente
por su velocidad y su dirección, las cuales se ven afectadas por varios factores
como lo son la ubicación geográfica, las
características climáticas, la altura respecto al suelo y la topografía del terreno.
Las turbinas eólicas interactúan con el
viento, convirtiendo parte de su energía
cinética en energía eléctrica. Esta con-
versión de energía es resultado de diversos fenómenos que se tratarán de explicar en este capítulo.
Fuentes del viento
Los vientos son movimientos de masas
de aire en la atmósfera principalmente
originados por las diferencias de temperaturas. El gradiente de temperatura se debe al calentamiento solar desigual en las distintas partes del planeta.
De hecho, la región ecuatorial está más
irradiada que las regiones polares y como consecuencia el aire más caliente y
más liviano de la región ecuatorial sube
a las capas más externas de la atmósfera y se mueve en dirección a los polos,
siendo reemplazado el aire de las capas
inferiores por un flujo de retorno de aire
más frío proveniente de los polos. Esta
circulación de aire también se encuentra afectada por las fuerzas de Coriolis
asociadas al movimiento rotacional de la
tierra, las cuales desvían el flujo de las
capas más altas hacia el este y el flujo
de las capas más bajas hacia el oeste.
Estos flujos de aire de gran escala que
tienen lugar en toda la atmósfera constituyen los llamados vientos geostróficos.
La capa más baja de la atmósfera es la
capa superficial, la misma se extiende
hasta una altura de 100 m. En esta capa,
los vientos son frenados por las fuerzas
de fricción y los obstáculos, que afectan tanto su velocidad como su dirección. Estos efectos son los que originan
las turbulencias, las cuales causan variaciones de la velocidad del viento en un
amplio rango de amplitudes y frecuencias. Por otro lado, la presencia de mares y grandes ríos o lagos causan la circulación de masas de aire de naturaleza similar a los vientos geostróficos, que
constituyen los llamados vientos locales.
El viento en un determinado lugar cerca
de la superficie terrestre está dado entonces por la combinación de los vientos
geostróficos y los vientos locales. Por lo
tanto, depende de la ubicación geográfica, el clima, la altura por encima del nivel del suelo, la rugosidad de la superficie y los obstáculos presentes en el entorno. Con los vientos resultantes de todos estos efectos, son con los cuales interactúan las turbinas eólicas. Una característica interesante de los vientos superficiales es su distribución de energía
cinética en el dominio de la frecuencia,
conocido como el espectro de van der
Hoven (ver fig. 5.3). Vale destacar que
en la figura se muestra la densidad de
potencia espectral SV multiplicada por
la frecuencia angular.
(2)Ernst Hjalmar Waloddi Weibull (18 de junio de 1887 - 12 de octubre de 1979) ingeniero y matemático sueco. Es reconocido por su trabajo en el área de
la fatiga de materiales y en la estadística por sus estudios sobre la distribución de Weibull. [18]
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La concentración de energía alrededor
de dos frecuencias claramente separadas permite dividir la señal de velocidad
de viento en dos componentes como V
= Vm+v, donde la velocidad cuasi-estática del viento (velocidad media del viento), Vm, se obtiene como el promedio
de la velocidad instantánea en un intervalo tp, ver 1. Generalmente este período en el cual se promedia se elige dentro de los límites del gap de energía. En
este caso, los cambios macro meteoro-
6
ωSv (ω) ((m/s92)
Independientemente del lugar en que
se estudie el viento, el espectro siempre presenta dos picos aproximadamente en 0.01 ciclos/h (ciclo de 4 días)
y en 50 ciclos/h (ciclo de 1 minuto), los
cuales están separados por un gap de
energía entre periodos de 10 minutos a
2 horas. La parte de bajas frecuencias
de este espectro corresponde a los vientos geostróficos mientras que la parte de
alta frecuencia representa la turbulencia
asociada a los vientos locales.
4
2
0
0,001
0,01
0,1
4 days semi-diurnal
1
10
5 min
100
1000
cycles/h
5s
Figura 3: Espectro típico de van der Hoven
lógicos en la velocidad del viento aparecen como fluctuaciones lentas de la velocidad media, siendo entonces el término v el que representa la turbulencia
atmosférica.
Vm =
1
tp
∫
t0 + tp / 2
t0 − tp / 2
V (t)dt
Velocidad media
Conocer la velocidad media del viento
que se puede esperar en un determinado lugar es crucial para determinar la viabilidad de un proyecto de energía eólica.
Esta información también es esencial a la
hora de elegir el tipo de tecnología que
se utilizará para maximizar la eficiencia
y durabilidad del proyecto. Para lograr
predecir la distribución de probabilida-
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ma, el cual varía de 1 a 3 y C el denominado factor de escala, siendo este último
cercano a la velocidad media del viento en el sitio. A la distribución de Weibull
cuyo factor de forma es 2, se la conoce como distribución de Rayleigh. Estos
coeficientes se ajustan para obtener los
datos de viento en un lugar determinado.
0,12
(a) p(Vm)
0,10
Most probable wind speed
0,08
0,06
Average wind speed
0,04
0,02
0
0
5
10
15
20
25
A continuación en la fig. 4 se puede apreciar la distribución de Weibull mencionada
y se puede observar claramente como
las velocidades medias altas del viento
son muy poco frecuentes mientras que
las velocidades medias moderadas son
mucho más frecuentes.
Vm (m/s)
Figura 4. Distribución de probabilidades de Weibull para la velocidad media del viento
30
Altitud: 365 m
Temperatura 8,0 °C
Cant. mediciones: 30 días (43200 a 1 min.)
Frecuencia, %
20
En las secciones anteriores se estudiaron las fuentes del viento y su velocidad
media junto con su distribución de probabilidades que es uno de los aspectos
mediante el cual se caracteriza al mismo. Además de la velocidad media del
viento, otra de las representaciones estadísticas más comúnmente utilizada para caracterizar al viento es la distribución
por rumbo de direcciones.
Estadísticas de la Vel. del viento
Alt. de medición 30m
10
0
Dirección del viento
0
2
4
6
8
10
12
14
18
20
22
24 m/s
Weibul (A= 6,00 m/s, C= 2,27)
Rayleigh (Vm=5,30m/s)
Medición
16
La información de las direcciones predominantes desde las cuales proviene
el viento va a ser decisiva a la hora de
escoger la ubicación de los aerogeneradores. La representación más utilizada de la distribución direccional de los
vientos es la llamada rosa de vientos
(ver fig. 6 (a) y (b)), en la cual se representa el porcentaje de tiempo en que el
viento proviene de una determinada dirección (la dirección del viento se refiere al lugar desde el cual proviene el flujo
de aire visto desde el punto de referencia). Es posible también reflejar en la rosa de vientos la distribución de velocidades medias de viento para cada sector direccional.
Figura 5. Distribución de Weibull que mejor ajusta a las mediciones presentadas en el histograma para los
datos medidos según se indica.
N
10.0%
N
NWN
NNE
NE
NW
WNW
W
ENE
A W
A
WSW
ESE
SE
SW
S
SSW
SSE
S
Figura 6: Ejemplos de rosa de vientos
des de la velocidad media del viento se
necesita recolectar medidas del viento
durante varios años.
Luego la información recolectada se despliega en forma de histogramas, los cuales se pueden aproximar de buena manera mediante una distribución de Wei28 |
bull (2) (ver fig. 5), la cual está dada por 2:
p(Vm ) =
k
C
( )
Vm
C
k−1
e− (Vm /C )
donde k es el denominado factor de for-
Continuará...
k
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