Energia eolica de pequena potencia

ENERGIA EOLICA DE
PEQUEÑA POTENCIA
Antigua (Guatemala) septiembre 2014
Enrique Soria Lascorz
División de Energías Renovables
CIEMAT
INTRODUCCION A LA MINI-EOLICA

Tecnología eólica
 Particularidades de los aerogeneradores de pequeña potencia

Caracterización del recurso eólico
 Evaluación del recurso eólico
 Sistemas con mini-eólica
 Componentes
 Configuraciones
 Aplicaciones
Tecnología eólica: Conceptos
aerodinámicos básicos
•
Potencia en el viento
v
•
•
Coeficiente de
potencia - Cp
Límite de Betz
a
Cpmax = 0.59
Pv, potencia en el viento, en W
Pa, potencia a la salida del aerogenerador, en W
A, área de captación en m2
ρ, densidad del aire en kg/m3
U, velocidad del viento en m/s
La curva de potencia
1.2
Zona sin
generación
Potencia normalizada
Zona de máxima
captación
0.8
0.6
Zona de regulación
Pnominal
1.0
0.4
0.2
Vconexión
0.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Velocidad de viento (m/s)
10
11
Vnominal
12
13
14
15
Definición de rangos
Potencia Nominal (kW)
Área barrida de rotor
Sub-categoría
(m2)
Pnominal < 1 kW
A < 4.9 m2
Pico eólica
1 kW < Pnominal< 7 kW
A < 40 m2
Micro eólica
7 kW < Pnominal< 50 kW
A < 200 m2
Mini eólica
50 kW < Pnominal< 100 kW
A < 300 m2
Mini eólica
APLICACIONES DOMÉSTICAS:
Micro/minieólica
APLICACIONES INDUSTRIALES:
Minieólica/Eólica de Media Potencia
PLANTAS DE GENERACIÓN:
Gran eólica
Componentes del aerogenerador de
pequeña potencia
Sistema de regulación
y control
Góndola
Rotor
Sistema de
orientación
Torre soporte
Generador
eléctrico
Criterios de clasificación de los
aerogeneradores
• Rotor:
– Posición del eje de giro del rotor: Horizontal – Vertical
– Número de palas del rotor: 1, 2, 3, …, multipala
– Velocidad de giro del rotor: rápidos - lentos
• Orientación del rotor:
– Sotavento
– Barlovento
• Tipo de generador eléctrico:
– Asíncrono
– Síncrono (de imanes permanentes)
• Sistemas de control:
– Pérdida aerodinámica (Stall) / Cambio de paso (Pitch)
Rotor
Eje Horizontal: 2 a 6 palas
Eje Vertical
Orientación
Barlovento
Cola de orientación
Control activo
Sotavento
Generador
Generadores de
imanes permanentes
(PMG, en inglés)
(4,6,8 ó 10 pares de
polos)
Generador de
inducción
Regulación aerodinámica
Cambio de paso
Desorientación
Sin regulación
Cabeceo
Pérdida
aerodinámica
Control electrónico
Inversor
Regulador electrónico
Paralelo
Serie
Rectificador
CA/CC en
puente de
diodos
Rotor
CC
Rectificador
CA/CC en
puente de
Limitador
diodos
Convertidor
CC/CC
Rotor
PMG
Convertidor
CC/CC
(opcional)
de voltaje
PMG
CA
Aerogenerador
Convertidor para control
del aerogenerador
Aerogenerador
Convertidor para control
del aerogenerador
Normativa de mini-eólica
Normativa eólica
o Comisión Electrotécnica Internacional (CEI):
TC88
o Agencia Internacional de la Energía (AIE):
Tarea 27 – Acuerdo Eólico
Normativa para sistemas híbridos:
o CEI: TC82
o AIE: Tarea 11 – Acuerdo PVPS
Experiencias de fabricación de mini-eólica en LAC
Argentina:
Giacobone, INVAP
Brasil: Enersud, Altercoop, Electrovento
Méjico:
Aeroluz, Fuerza Eólica
Nicaragua:
Blue energy
Perú: Soluciones Prácticas, Waira
Otros: Vergnet, Bornay
 Proyecto Piloto financiado
por la agencia danesa,
Alianza en Energía y
Ambiente (AEA) en 2005
 Aerogenerador de 500W
 Basado en el diseño de
Scoraig Wind Electric
Caracterización del recurso eólico (I)
Histograma
80
70
60
50
40
Caro
Detallado
Poco práctico
Usado en grandes
Menos detallado
Más práctico
Poco usado
25
20
Probabilidad (%)
90
25
Función de distribución
de probabilidad
Menos detallado
Muy práctico
Muy usado
20
Probabilidad (%)
Datos medidos
15
15
Histograma
Histograma
Rayleigh
Weibull
10
10
30
20
5
5
10
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Velocidad (m/s)
Con dos parámetros (k, c) se caracteriza el
recurso eólico en el emplazamiento
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Velocidad (m/s)
Función de Weibull
v: velocidad de viento para la que se
quiere calcular la probabilidad de
ocurrencia
k: parámetro de forma
c: parámetro de escala
P(v) probabilidad de que se dé una
velocidad de viento, v
Caracterización del recurso eólico (II)
Perfil Vertical
• Variación de la velocidad de viento
con la altura
• Depende del entorno
Ley potencial
Ley logarítmica
V1: velocidad del viento a la altura h1
V2: velocidad del viento a la altura h2
: exponente de cortadura
Dirección
• Variación del viento en
función de la dirección
• No siempre se utiliza
Rosa de vientos
Altitud
• Afecta a la densidad del aire
densidad ≅ 1.225 *
Caracterización del recurso eólico en LAC
Cada vez son más frecuentes los mapas eólicos regionales y/o nacionales
Algunos ejemplos:
Evaluación del recurso eólico
6. Análisis
estadístico
1. Exploración
Producción energética (teórica) de un aerogenerador
ENTRADA 1: Caracterización del recurso eólico
Probabilidad (%)
20
15
Histograma
Rayleigh
Weibull
10
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Potencia (W)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Función de
distribución de
probabilidad
25
Bin Velocidad de viento (m/s)
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Velocidad (m/s)
Función de Weibull
ENTRADA 2: Caracterización
del aerogenerador
Curva de Potencia
aerogenerador
0
2
19
53
110
202
329
465
614
772
939
1,053
1,080
1,053
1,009
961
913
869
825
781
Total:
Probabilidad de viento (f)
12.53%
20.50%
21.99%
18.35%
12.55%
7.21%
3.52%
1.47%
0.53%
0.17%
0.04%
0.01%
0.00%
0.00%
0.00%
0.00%
0.00%
0.00%
0.00%
0.00%
98.88%
RESULTADO:
•
•
Energía annual (AEO)
Horas equivalentes
Energía Anual
AEO(Wh) =
66.14 (W)*8760 h
Horas Equivalentes
AEO (Wh) / potencia
nominal (W)
Neto W @ V Cálculos de la W
La probabilidad d
0.00
de viento se calcu
0.36
función de Weibu
la media y un fact
4.25
K. Para facilitar la
9.66
por trozos, se div
13.77
de velocidades de
14.56
"bines" de 1 m/s d
(Columna 1). Para
11.59
multiplica la poten
6.86
instantánea (W, C
3.26
la probabilidad de
velocidad de vien
1.28
Weibull (f, Colum
0.42
producto (Neto W
0.11
Columna 4) es la
de la generación
0.02
ese bin. El sumat
0.00
estas contribucion
0.00
generación media
del aerogenerado
0.00
24 horas.
0.00
Se consiguen me
0.00
resultados con me
0.00
o mensuales. No
recomienda el us
0.00
horarias o diarias
66.14
Σ
Sistemas con mini-eólica
Sistemas
aislados de
la red
Sistemas
conectados
a red
• Sistemas Híbridos
• Sistemas EólicoDiésel
• Sistemas EólicoAgua
• Generación
distribuida
Posibles componentes del sistema
Aerogenerador
Otras fuentes renovables
Control del sistema
Almacenamiento
Grupo electrógeno
Consumos
√
Otras formas de generación renovable
Fotovoltaica
La principal y más usada
en sistemas aislados
MiniHidráulica
Muy interesante cuando
existe recurso
Biomasa
Poco utilizada para
producir electricidad a
pequeña escala
Control del sistema
Integración de
los
componentes
Gestión
generación
renovable
Múltiples
funciones
Control
supervisor
Gestión del
diésel
Gestión de
cargas
Control
“óptimo”
Almacenamiento
Electroquímico
Electromecánico
Agua
•
•
El más usado
Distintas tecnologías
(Pb-ácido la más
frecuente)
•
Alta potencia durante
poco un corto plazo
Volante de inercia,
aire comprimido
•
•
•
Bombeo
Solución para grandes
cantidades de energía
Grupo Electrógeno
3 Soluciones para proporcionar electricidad en áreas rurales
Extensión de la red
Grupo electrógeno
Manera tradicional de
electrificación
“Competencia”(¿?)
Renovables
Sistemas híbridos
Los consumos
Su definición es clave en el
diseño del sistema
•Carga pico
•Carga promedio
•Distribución anual y diaria de la carga
•Calidad del servicio
Posibilidad de realizar
un control de la carga
El concepto de eficiencia
energética cobra
especial interés
Configuraciones de sistemas con
mini-eólica
Sistemas conectados a red
Sistemas aislados: sistemas con camino en
continua y almacenamiento eléctrico
Sistemas aislados: sistemas con camino en
alterna y grupo electrógeno
Sistemas aislados: sistemas sin acumulación
eléctrica ni grupo electrógeno
Sistemas conectados a red
Rectificador
CA/CC en
puente de
Limitador
diodos
Rotor
Inversor
CC/CA
de tensión
(opcional)
PMG
Aerogenerador
•
•
•
Convertidor para control
del aerogenerador
Convertidor para
interconexión a red
La red proporciona la estabilidad eléctrica
El marco normativo define la facilidad de conexión
Muy desarrollado en EE.UU, Reino Unido,…
Sistemas aislados:
Sistemas híbridos – camino en continua
Aerogenerador y generador FV
se adaptan a la tensión CC del
sistema, y generan en función
del recurso disponible
REGULADOR
EÓLICO
Los reguladores
protegen a la batería
frente a sobrecargas.
Pueden contribuir al
seguimiento del punto
de máxima potencia de
los generadores
respectivos
GENERADOR
FOTOVOLTAICO
REGULADOR
FOTOVOLTAICO
Convierte a CA
de tensión y
frecuencia
estables
Establece la
referencia de
tensión CC
Sistemas aislados:
Sistemas eólico-diésel – camino en alterna
Se adapta a la
referencia en CA, y
genera en función del
recurso disponible
Participan como
referencia de
tensión y frecuencia
en CA cuando el
grupo electrógeno
no es capaz
Referencia inicial de
tensión y frecuencia
en CA
Sistemas aislados:
Sistemas sin acumulación eléctrica ni grupo electrógeno
Acoplamiento
Mecánico
Acoplamiento
Eléctrico
directo
PMG
Acoplamiento
Eléctrico
Electrónico
PMG
Convertidor electrónico
AGUA
MA
AGUA
B
MA
Rectificador
Aerogenerador
Aerogenerador
Tipicamente aplicaciones relacionadas con agua
•
Bombeo
•
Desalación
•
Hidrógeno
Control
Inversor
B
Experiencias de electrificación rural con híbridos en LAC
Argentina
PERMER:
115 sistemas
en fase piloto
Brasil
Luz para
todos
Algunos
proyectos
especiales
Chile
Archipiélago
de Chiloé
Sistemas
eólicos con
diésel
Méjico
Pionero en el
uso de
híbridos
Perú
20 sistemas
instalados
Xcalak o San
Juanico
3500
sistemas con
posibilidad
Venezuela
48 sistemas
Distribuidos
por BORNAY
Proyecto
EUROSOLAR
36 M USD
177 híbridas,
de 600 en
total
1500
sistemas
Componentes principales
USD
Aerogenerador 100 W
600
Batería 130 AH
180
Controlador eólico 35 A
160
Inversor 12 VDC/220VAC- 300 W
140
Llaves termomagnéticas
40
Cables eléctricos
75
Accesorios
35
Resistencia 200 W
30
TOTAL
1260
Experiencias de sistemas eólico-diésel en LAC
San Cristóbal, en las
Islas Galápagos,
Ecuador
• Grupos existentes:
3x650 kW
• Aerogeneradores:
3x800 kW, MADE
Nazareth, Colombia
• Grupos: 225+2x150
kW
• Aerogeneradores:
2x100 kW, ADES
• Fotovoltaica: 8x12.5
kWp
• Baterías