Archive for the ‘Microturbine’ Category
More recently, a new generation of very small gas turbines has entered the marketplace. Often referred to asmicroturbines, these units generate anywhere from about 500 watts to several hundred kilowatts. The figure illustrates the basic configuration including compressor, turbine, and permanent-magnet generator, in this case all mounted on a single shaft. Incoming air is compressed to three or four atmospheres of pressure and sent through a heat exchanger called arecuperator, where its temperature is elevated by the hot exhaust gases. By preheating the compressed incoming air, the recuperator helps boost the efficiency of the unit. The hot, compressed air is mixed with fuel in the combustion chamber and is burned. The expansion of hot gases through the turbine spins the compressor and generator. The exhaust is released to the atmosphere after transferring much of
its heat to the incoming compressed air in the recuperator.
Source:
Gilbert M. Masters. “Renewable and Efficient Electric Power Systems”. Jhon Wiley & Sons, Inc., New Jersey. ISBN 0-471-28060-7. 2004
Las turbinas de gas poseen un eje que gira a bastantes RPM (una referencia es 100,000 RPM sin embargo hay un amplio rango dependiendo de calidad, fabricante, procedencia, etc.), por lo tanto, esa energía cinética que es resultado de capturar parte de la energía química liberada por la combustión del gas en las cámaras de combustión, necesita de un generador de alta velocidad para la siguiente etapa del proceso que es transformarla en energía eléctrica. Queda entonces luego acomodar la señal eléctrica a lo que el sistema eléctrico a conectarse utiliza, por ello, primero se rectifica, se lleva a un enlace en corriente directa (link dc) y luego a un inversor eléctrico que lo lleva a energía eléctrica en su forma alterna sea monofásica o trifásica (como se indica en la figura)… Por cierto, estos sistemas ya desarrollados vienen encapsulados en diferentes capacidades nominales 5 kW, 10 kW, etc.
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La figura muestra el diagrama de bloques una microturbina. Estos diagramas de bloques sirven para ver en que partes funcionales o conceptuales un sistema está constituido, pero si lo miramos desde el punto de vista de modelamiento y simulación, los diagramas de bloques sirven para determinar las partes importantes que constituyen un sistema y con cada parte del sistema ir haciendo su modelo matemático y computacional… una vez que se tiene las simulaciones de cada parte, se integran como un todo para recrear todo el modelo de la microturbina. En este caso las entradas al sistema son aire y combustible, cada uno de ellos son constituyentes que pueden varias de composición, quizás el combustible de la microturbina por ser gas, sea más uniforme en el tiempo. Combustible que se quema y parte de la energía contenida en los gases de escape se transforman en energía térmica en el recuperador, haciendo más eficiente el sistema. Una microturbina de gas es un elemento sencillo con una sola pieza en rotación.
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- DERs grid-forming: Estas unidades son la columna vertebral de las microgrids. Siendo responsable de mantener estable las condiciones del sistema de potencia, estas unidades constantemente hacen control de frecuencia y voltaje tener a tono los sistemas de generación y la demanda. Estas unidades pueden ser convencionales generadores síncronos o Inversores de Fuente de Voltaje (VSI) con almacenamiento de baterías.
- DERs grid-supporting: Unidades controlables (despachables) los cuales son dependientes del voltaje y frecuencia del bus. Estas unidades pueden ser de almacenamiento (volantes de inercia, baterías, almacenamiento térmico) o generadores cuyos principal recursos son despachables (celdas de combustible, micro turbinas, etc).
- DERs grid-following: Generadores no controlables. Estas unidades son frecuentemente diseñados para maximizar su salida por medio de Seguidores de Punto de Máxima Potencia (MPPT). Ellos no realizan control de frecuencia y voltaje en su PCC, en su lugar, ellos “siguen” la señal de voltaje y frecuencia y actúan como una fuente de corriente. La principal guía para esta estrategia de control es la incertidumbre de la fuente de energía primaria de estas tecnologías. Algunos ejemplos son las celdas fotovoltaicas y las pequeñas turbinas eólicas.
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Las microturbinas tienen las siguientes características:
1. Tamaño .- Son relativamente pequeñas en tamaño comparadas con otras DERs.
2.- Conversión de combustible a electricidad .- Esto esta en el orden de 25-30 %. Sin embargo, si se recupera el calor residual para aplicaciones CHP, los niveles de eficiencia de energía son mayores del 80%.
3.- Emisiones de óxidos de nitrógeno.- Son menores que 7 ppm para máquinas de gas natural.
4.- Vida operacional.- Son diseñados para 11,000 horas de operación, pero con los adecuados mantenimientos su tiempo de servicio puede ser al menos de 45,000 horas.
5.- Economía de operación.- Costos del sistema son menores que US$ 500 por kW. Costos de electricidad es competitivo con alternativas incluyendo energía de la red para aplicaciones de mercado.
6.- Flexibilidad del combustible.- Es capaz de usar combustibles alternativos, gas natural, diesel, etanol y otros líquidos derivados de biomasa y gases.
7.- Nivel de ruido.- Tiene reducido nivel de ruido y vibraciones.
8.- Instalación.- Tienen un simple procedimiento de instalación.
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J778: Enlace entre portadores y convertidores de energía en un futuro sistema de energía sostenible…
En un futuro el sol es de hecho la fuente de energía primaria. La cantidad de energía solar que incide sobre la Tierra es muchas veces la cantidad actual de energía que necesitamos cada año. Sólo una pequeña fracción de la superficie del Desierto del Sahara puede suministrar todas las necesidades energéticas del planeta. De la interacción del Sol con el planeta surgen el viento, las olas y la biomasa que usando las tecnologías y equipos adecuados se logra captar y convertir esa energía primaria para ser usada en forma de electricidad y calor. El excedente requiere así mismo de formas de almacenamiento que permita también la posibilidad de usarlo cuando no exista generación de calor o electricidad. La figura muestra los múltiples enlaces entre ellas. Cada uno puede pensar de la forma como pueden interactuar y recrear diferentes escenarios de estudio….
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El Concepto de CERTS (Consorcio para Soluciones de Tecnología de Fiabilidad Eléctrica) ha sido implementada bajo una configuración de hardware de concepto a prueba en la Universidad de Wisconsin-Madinson en los Estados Unidos de América. La microred cuenta con dos fuentes, cinco conjuntos de cargas trifásicas y un interruptor estático que permite la conexión a la grid. La figura muestra la disposición de los componentes. Notar que hay 100 yardas de cable entre las fuentes para mejor captura de la caída de voltaje que normalmente existe en los alimentadores. Esto me está permitiendo mejorar mi apreciación de las microredes y mejorar los modelos computacionales que realizo bajo Matlab/Simulink, esta experiencia me sirve también para extenderme en aplicaciones a otros campos de la ciencia e ingeniería.
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Una microturbina considerado para alimentar sistemas de baja tensión en un sistema de generación distribuida es hablar de potencias de 30 – 300 kW. Encontré en la literatura algo que describia un modelo de microturbina, la he podido plasmar en un programa de Simulink para hacer la simulación. La curva amarilla es la representación de la potencia mecánica entregada por la turbina luego del proceso de quema de combustible y eficiencias. Se han añadido elementos de control con sus respectivas funciones de transferencia (las cuales obviamente no las pueden observar). Esto es parte del trabajo de modelamiento y simulación que realizo y que animo a toda la comunicación de habla hispana y quienes usan el traductor del Blog a que hagamos cooperación en investigación. Las microturbinas son generadores cada vez de menos tamaño y cumplen la función de generar electricidad y dar calor; solo cuenta con una parte móvil, usa gases que son ahora bastante comerciales y disponibles, incluyo los hay alternativos como el biogas, etc. La gráfica es en p.u.
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Recurriendo al concepto de líneas de corriente en un fluido en movimiento nos servirá para explicar como es que se genera el empuje en el álabe de un aerogenerador, ala de avión o álabe de turbina submarina. El gas aire que viene hacia el álabe al incidir sobre el álabe se divide en dos partes una que pasa por una zona concava de tal manera que es compromido (se crea una zona de alta presión) y las líneas de fuerza se unen desarrollando una fuerza sobre el área expuesta del álabe; y otra zona, sobre el lado convexo en que las líneas de flujo se separan creando una zona de baja presión y que produce una fuerza en la misma dirección de la que se genera en la zona de alta presión. Pero de estas dos fuerzas la que predomina es el de la zona de alta presión, y que se suma al de baja presión, creando el concepto de empuje que permite el movimiento en la dirección de la fuerza resultante del álabe.
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convencion_mars_society_2014_USA (image in pdf)
CV Jorge Mírez: CV_Jorge_Mirez_Super_Short_2014
memory help about i in Mars Desert Research Station (April/May 2013) ayuda_memoria_MDRS_2014
Son las turbinas de gas una forma cada vez más usual de obtener energía eléctrica y calor, sea por gas natural o por metano proveniente de rellenos sanitarios. En la figura superior se observa un arreglo de turbina de gas simple. Existe ahora lo que son las microturbinas de gas. Novel tecnologías que se adaptan a las necesidades del hogar. Más el elemento clave de todo esto son los álabres, hechos de materiales que soportes las temperaturas, los esfuerzos térmicos y debido a las altas velocidades de rotación. Una forma de como se observa en una turbina y como es que están insertados en el eje se puede apreciar en la figura inferior.
A todo esto, estudiar las turbinas de gas o microturbinas de gas es un tema bastante interesante, no sólo la parte estructural, sino la dinámica, el balance energético, entre otros. Los álabes que son los elementos básicos de este equipo, tienen especial énfasis de análisis, dado que su diseño, construcción, instalación y evaluación de desempeño es fundamental en este tipo de equipos.
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