Archivo para enero 1st, 2012


Como ha sido costumbre durante el año 2011, cada mes he venido presentando la cantidad de visitas a este blog, mediante una figura copia de la sección de estadísticas que da WordPress. Este mes de diciembre ha sido muy fructífero, dado que ha habido una importante cantidad de visitas, a pesar del poco tiempo que le dedique a hacer nuevas entradas al blog, obligado por la agenda recargada entre docencia, estudios de doctorado en física y trabajos otros.

Muchas gracias por visitar el blog y por recomendarlo… este año 2012, me he propuesto nuevas metas que espero compartir con todos los internautas interesados en el tema no sólo en este blog sino en los otros blogs que administro también.

Recuerden que se da asesoria en temas de energías renovables, desarrollo de tesis pregrado y postgrado, trabajos de investigación, lo desarrollamos coordinadamente con los interesados….

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Un generador eólico sigue la curva de potencia que se aprecia en la figura de la presente entrada, la cual es característica de cada máquina y es obtenida por los fabricantes en sus laboratorios con condiciones especiales para su elaboración, la cual está normalizada según la norma iEC-61400.

Los objetivos de los sistemas de control de los SCEE en relación con la potencia son básicamente dos. El primero, en la región 2, es maximizar la extracción de energía eólica donde las velocidades del viento son bajas y las cargas estructurales también son relativamente pequeñas. El segundo objetivo, en la región 3, con velocidades de viento altas y con un crecimiento dramático de las estructurales, es limitar dichas cargas pero manteniendo la producción de potencia eléctrica, por lo que es necesario limitar la potencia a un valor nominal. Si se superan las velocidades de viento de la región 3, el sistema hará un paro forzado de la máquina, protegiéndola de cargas aerodinámicas excesivamente altas que puedan generar daño a los equipos y a las personas.

La curva del coeficiente de potencia representa el desempeño de la turbina eólica para la extracción de la máxima potencia. Para cada valor de la relación de velocidad de punta (\lambda) existe un valor máximo de Cp . Cuando la velocidad del viento cambia, \lambda varía y para mantener el coeficiente de potencia en su valor óptimo es necesario variar el ángulo de paso \beta, éste es el principio fundamente para el control de la potencia de los SCEE.

Básicamente, hay dos formas de limitar la potencia de salida cuando la velocidad del viento es la nominal o cuando está por encima de ella.

La primera forma, conocida como regulación por pérdida de sustentación (stall regulation), se da aumentando el ángulo de ataque de modo que el flujo de aire se separe del perfil aerodinámico del aspa en el lado de succión. La regulación por stall puede ser pasiva o activa; pasiva, las aspas son fijas y se diseñan para que cuando la velocidad del viento alcance la nominal, el flujo de aire se desprenda de la cara contra el viento; activa, cuando se giran las aspas del rotor de tal forma que aumente el ángulo de ataque.

La segunda forma es conocida como regulación por cambio en el ángulo de paso (pitch regulation) que se presenta cuando se giran las aspas de tal forma que el ángulo de ataque disminuya.

Los SCEE, dependiendo de su construcción tienen diferentes lazos de control. Entre los más importantes se encuentran: el control del cambio del ángulo de paso, utilizado para regular la potencia de salida en la velocidad de viento nominal o por encima de ella y para seguir una curva de potencia predefinida en el arranque o paro de la máquina; el control del torque del generador, que sirve para la regulación de la velocidad rotacional de los SCEE de velocidad variable; y el control de orientación (yaw control), el cual permite encontrar la dirección en donde la velocidad del viento es máxima.


Ángulo de paso (pitch angle): Es el ángulo que se forma entre el plano de rotación del rotor y la cuerda del perfil aerodinámico del aspa.

Ángulo de ataque (attacl angle): Es el ángulo que se forma entre la línea que lleva la dirección de la velocidad relativa del viento y la cuerda del perfil aerodinámico del aspa.

Coeficiente de potencia: Es la relación entre la potencia mecánica extraída del aire y la potencia eólica disponible.

Cuerda del perfil aerodinámico: Es la línea recta que une el borde de salida del perfil con el punto más lejano a éste en el borde de ataque del aspa.

Relación de velocidad de punta (Tip speed ratio): Es la relación entre la velocidad lineal en la punta del aspa y la velocidad del viento perpendicular al plano de rotación.

Sustentación (Lift): Es un concepto aerodinámico que describe la fuerza que sostiene en vuelo a las aeronaves y que se representa cuando el flujo del aire, ó viento para los SCEEE, es laminar y se adhiere tanto a la capa superior como  a la inferior del perfil aerodinámico.

Pérdida de sustentación (Stall): Se da cuando el flujo de aire o viento en el perfil aerodinámico deja de ser laminar al aumentar el ángulo de ataque, disminuyendo la potencia del rotor.

SCEE de velocidad constante: Son las máquinas que tienen generadores conectados directamente a la red eléctrica y por tanto la frecuencia de la red limita su velocidad de rotación. Generan cargas dinámicas robustas.

SCEE de velocidad variable: En los sistemas de velocidad variable, la velocidad de rotación de la turbina cambia continuamente con la velocidad del viento y requiere un conversor electrónico de potencia para convertir la potencia de frecuencia variable a la frecuencia constante de la red eléctrica.


Explico en forma genérica de que elementos se compone un sistema de conversión de energía eólica (SCEE):

Un generador eólico o aerogenerador es un equipo que capta la energía cinética del viento convirtiéndola en energía eléctrica. A continuación las partes más importantes de un SCEEE.

Rotor: Es el que transforma la energia cinética del viento en la energía mecánica que se utiliza para impulsar el generador elécrico. Se compone de aspas o palas (blades), el cubo (hub) en donde se ensamblan las aspas, y la nariz, que es la punta frontal en forma de cono, y que se utiliza para evitar turbulencias en el centro del rotor.

Sistema de transmisión mecánica: Está compuesto del eje principal o eje de baja velocidad, la caja de engranajes, y el eje de alta velocidad. El eje principal es el que transmite el torque aerodinámico del rotor al sistema del generador. La caja de engranajes (gear box) es la que convierte la velocidad del rotor que es baja, a una velocidad alta para que un generador convencional pueda producir electricidad. El eje de alta velocidad es el que le entrega la potencia mecánica al generador directamente.

Generador eléctrico: Es el encargado de convertir la energía mecánica en energía eléctrica. En los SCEE se han utilizado tanto generadores asíncronos como síncronos.

Sistema de orientación: El sistema de orientación está compuesto generalmente por un servomecanismo que gira la góndola en la dirección del viento sensada por una veleta.

Sistema de control: Está compuesto por sensores, actuadores y un controlador principal que tiene diferentes funciones: regulación de potencia, control de la velocidad, control de voltaje, arranque y paro de la máquina, orientación de la turbina, control de otras variables como son la temperatura y vibración.

Sistema de seguridad: El sistema de seguridad generalmente tiene como función llevar al aerogenerador a una condición segura y estable, para las personas y para el mismo equipo. Se compone de los sistemas de frenado, sistemas de detección de altas temperaturas, presiones y vibraciones.

Góndola (canelle): Es la cápsula o encerramiento que protege al generador, a los sistemas de transmisión y orientación y a otros componentes. Se acopla a la torre y al rotor.

Torre: Es el soporte de la góndola y del rotor, es de diseño robusto para soportar toda la dinámica de la turbina eólica.

Los componentes de un generador eólico se muestran a continuación en la siguiente figura: