La Generación de Energía Eléctrica por el Poder del Viento

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La Generación de Energía Eléctrica por el Poder del Viento Roy Araya Núñez

Abstract—With the reduction of fossil fuels and global warming, the search for alternative energies was become more and more popular. This paper will talk about eolic energy, focused on the way it transforms the mechanic energy obtained from the wind to electric energy, and how to maximize it using power electronic methods. Finally, the wind generator characteristics and operation methods are presented, showing different forms of generating electricity, with its pros and cons. Index Terms—Energia Eolica, Generador, Control, Viento, Aerogeneradores, Generador Inducción, Generador Sincrónico, Turbina Eólica, Velocidad Variable, Velocidad Constante.

I. Introducción Con el progresivo agotamiento de los combustibles fósiles unido al cambio climático, la búsqueda de fuentes alternativas de energía limpia ha aumentado en gran manera durante los últimos años. Algunas de ellas como la energía eólica, solar, la energía de la biomasa o la energía geotérmica están teniendo un desarrollo espectacular. Especialmente la energía eólica ha jugado un papel muy importante durante los últimos años debido a que su fuente de energía primaria, el viento, es un recurso que existe en mayor o menor medida en cualquier lugar del planeta, haciendo relativamente fácil su acceso para cualquier persona en el mundo. De acuerdo con la Figura 1, se puede observar que al pasar de los años el uso de la energía eólica en el planeta ha aumentado de forma exponencial.

Figure 1.

Aumento del uso de energía eólica en el mundo

Entre los países que poseen mayor potencia eólica instalada destacan: Alemania, España y Dinamarca. En el ámbito Costarricense la importancia de las energías renovables es relativamente alto y el interés en alternativas a la energía hídrica aumenta cada día más, debido que el cambio climático está afectando el caudal de los ríos y represas. En Costa Rica existen diversos parques eólicos ubicados en diferentes partes

del país como por ejemplo: Tilarán, Guanacaste, Zona de los Santos. Aunque haya madurado mucho recientemente, la energía eólica constituye un campo activo de investigación debido a la serie de dificultades que se presentan tales como: regulación de tensión y frecuencia, seguridad y calidad de suministro, etc. Por lo tanto surgen continuamente nuevos desarrollos, sobre todo en generadores eólicos de gran potencia. El espectacular desarrollo experimentado en el aprovechamiento de la energía eólica, ha situado a esta fuente de energía renovable en posición de competitividad respecto a los sistemas convencionales de producción de energía. Los avances realizados en el campo de la electrónica de potencia en los últimos años permiten seguir avanzando en el desarrollo de la tecnología de los generadores eólicos. El rendimiento de los aerogeneradores actuales ha aumentado de forma notable en los últimos 15 años. La disminución de costes de instalación, operación y mantenimiento, unido al incremento de la eficiencia y disponibilidad de los aerogeneradores ha permitido una importante reducción en los costos de producción. El tamaño de los aerogeneradores ha ido incrementado, pasando de los aerogeneradores de 75kW de potencia nominal, empleados a mediados de la década de los ochenta , a generadores eólicos como el E-126 fabricado por la empresa alemana Enercon, el cual posee una potencia nominal de 7.6 MW, siendo uno de los aerogeneradores mas grandes del mundo en la actualidad. La energía eólica aprovecha la parte de la radiación solar que es absorbida por la atmósfera y transformada en energía cinética. Se estima que la energía contenida en los vientos es aproximadamente el 2% del total de la energía solar que alcanza la tierra [2]. De todas las energías renovables, la solar y la eólica son las que se encuentra mejor distribuidas, lo que supone una gran importante ventaja para un aprovechamiento en gran escala. La mayor dificultad de las aplicaciones eólicas radica en la irregularidad de su producción energética, que obliga a disponer de costosos sistemas de almacenamiento para adaptar su suministro a las exigencias de la demanda. Sin embargo, la ventaja de utilizar combustible gratuito puede compensar a largo plazo los mayores costes de la instalación. En pequeñas aplicaciones de uso doméstico, o explotaciones agrícolas, es donde las energías renovables tienen grandes posibilidades de desarrollo a corto plazo. Los inconvenientes de las plantas de pequeño tamaño se convierten en ventajas en un modelo de producción de energía descentralizada, más adecuado para el abastecimiento de centros de consumo dispersos.

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La fabricación de máquinas aerogeneradoras no requiere de sofisticadas técnicas y está al alcance de países no demasiado industrializados. Sólo se necesita que se generalice su utilización para que la producción en masa convierta esta opción en una realidad práctica y rentable. El problema energético condiciona cualquier intento de desarrollo económico o de evolución social. A la escasez de recursos y al aumento de sus precios, hay q añadir la dependencia de otros países en un factor esencial del sistema de producción, y de una forma indirecta, la contaminación del medio ambiente. Este panorama tenderá a agravarse en los próximos 20 o 30 años, hasta que avances de la tecnología nos permitan acceder a nuevas fuentes de energía más abundantes. Mientras tanto, sólo una política energética basada en la racionalización del consumo y el aprovechamiento integral de todos los recursos disponibles puede resolver este problema que nos concierne a todos. II. La Energía Eólica La palabra “Eólica” viene de Eolo, dios de la mitología griega que designaba al viento [10]. Se llama viento al movimiento de una masa de aire, el cual posee una densidad relativamente baja [16]. El viento ha sido el aliado del hombre en muchos casos: navegación, molinos para moler trigo, etc. El aire es una mezcla de gases y otras sustancias en suspensión, que componen la atmósfera que rodea la tierra, y que permanecen sujeta a ella gracias a la fuerza de la gravedad. El viento es una consecuencia de la radiación solar. Las diferencias de insolación entre distintos puntos del planeta generan diferentes áreas térmicas, y los desequilibrios de temperatura se traducen en variaciones de presión. El aire, como cualquier gas, se mueve desde las zonas de alta presión a las de baja presión. Durante el día, el agua de los océanos permanece relativamente más fría que la superficie terrestre. De la radiación solar que incide sobre la superficie del agua se emplea parte en calentamiento y parte en evaporación; pero debido a la gran capacidad del agua para absorber calor, la temperatura en las capas superficiales apenas varía y lo mismo ocurre con la temperatura del aire que se encuentra en contacto con ellas. Sobre la tierra, en cambio, la radiación solar que se recibe sobre el suelo se traduce en una elevación de la temperatura, tanto de la corteza terrestre como del aire circundante. El aire caliente se dilata, pierde presión y es remplazado por el aire fresco que viene del mar (ver Fig. 2). Durante la noche, el ciclo se invierte. La corteza terrestre se enfría más rápidamente, mientras que el agua del mar conserva mejor el calor acumulado a lo largo del día. En las montañas ocurre un proceso parecido, unas laderas reciben más insolación que otras, en función de su orientación y pendiente. El calentamiento del suelo es desigual, y los desplazamientos del aire tienden a compensar las diferencias de presión[2]. A. Factores condicionantes Para tener en cuenta la composición de los vientos a nivel local, se tienen que tener en cuenta los efectos producidos por el mar y las montañas, que pueden perturbar considerablemente el movimiento de las capas bajas de la atmósfera. El

Figure 2.

Generación del Viento

aire que se desplaza en la proximidad de la corteza terrestre debe sortear los innumerables obstáculos que se encuentra a su paso, alterando en mayor o menor grado las líneas de corriente y sus velocidades correspondientes. Las montañas son un importante obstáculo al desplazamiento del aire y su comportamiento ante ellas puede resultar muy complejo. Se suele considerar que las montañas ejercen un efecto de frenado sobre una corriente de aire, reduciendo su velocidad de un 30% a un 50% de la que tendría en iguales condiciones moviéndose en un espacio abierto [2]. Así se podría concluir que los parámetros que definen el régimen de los vientos en un punto determinado dependen de: • La situación geográfica • Las características microclimáticas locales • La estructura topográfica de la zona • Las irregularidades del terreno • La altura sobre el nivel del suelo B. La Energía del Viento Desde un punto de vista práctico, el contenido energético del viento es lo que se desea aprovechar. La energía cinética por unidad de tiempo de una masa de aire que se desplaza viene determinada por la llamada “Ley del Cubo” [8] 1 ·ρ·A·V3 (1) 2 Siendo: P= La energía por unidad de tiempo   (W); A= área
kg 2 interceptada m ; ρ= densidad del aire m ; V= velocidad 3
del viento m . s Se entiende por energía la potencia durante un período determinado de funcionamiento de la máquina de viento. En el caso especifico de la aerogeneración, se busca transformar esta energía en energía mecánica a través de un rotor, la cual a su vez terminará transformándose en energía eléctrica, por medio de un generador, para su almacenamiento o directamente para su consumo. Sin embargo, debido a las variaciones en cuanto a magnitud de velocidad, es conveniente hablar en términos de energía para períodos de tiempo determinados. Con la finalidad de poder extraer del viento la mayor cantidad posible de energía, se debe combinar adecuadamente P =

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las características del aparato y las condiciones del ambiente [15]. III. Generadores Eólicos Actualmente, la energía del viento se aprovecha para producir electricidad con los llamados generadores eólicos, los modernos “molinos de viento”. Su principio de funcionamiento es bien sencillo: el viento mueve las palas de la hélice, que a su vez, a través de un sistema de engranajes, mueven un generador que produce electricidad. De la ecuación (1) se puede deducir que la potencia desarrollada por el viento es proporcional a la velocidad elevada al cubo. Esto quiere decir que si se aumenta la velocidad del viento, la energía generada aumenta mucho más, por lo que se considera que el sistema eólico tienen un buen rendimiento en electricidad [6]. A. Tipos de Aerogeneradores 1) Máquinas de eje horizontal y vertical : Eje Horizontal: La mayor parte de aerogeneradores implementados son de eje horizontal. La razón es simple: todos los aerogeneradores comerciales conectados a la red se construyen actualmente con un rotor tipo hélice de eje horizontal. Por supuesto, la finalidad del rotor es la de convertir el movimiento lineal del viento en energía rotacional que pueda ser utilizada para hacer funcionar el generador. El mismo principio básico es el que se utiliza en las modernas turbinas hidráulicas, en las que la corriente de agua es paralela al eje de rotación de los álabes de la turbina [16]. Eje Vertical: Las máquinas de eje vertical son conocidas como menos eficientes que las de eje horizontal. El uso de las máquinas de eje vertical elimina la necesidad del ajuste a la dirección del viento, debido a una simetría vertical de rotación. Estas requieren de una construcción más simple para las torres de soporte y se puede entregar la potencia mecánica a nivel del suelo, a un costo menor. Debido a una menor velocidad angular, se reducen los problemas de vibración. Finalmente, el costo de la fabricación de los álabes es menor que el de su contraparte de eje horizontal para la misma potencia, el aerogenerador de eje vertical más conocido es el de tipo Darrius (ver Fig. 3). 2) Número de palas : El concepto tripala danés: La mayoría de aerogeneradores modernos tienen diseños tripala, con el rotor a barlovento (en la cara de la torre que da al viento), usando motores eléctricos en sus mecanismos de orientación. A este diseño se le suele llamar el clásico ”concepto danés”, y tiende a imponerse como estándar al resto de conceptos evaluados. La gran mayoría de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseño. El concepto básico fue introducido por primera vez por el célebre aerogenerador de Gedser. Concepto bipala: Los diseños bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y, por su puesto, su peso. Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida. Esto supone una desventaja tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual.

Figure 3.

Generadores Eólicos de Eje Vertical

B. Elementos fundamentales Los elementos fundamentales que componen un aerogenerador de eje horizontal son: • Hélice o rotor: Es la parte expuesta al viento, que al girar sus aletas, transmiten la energía generada por su movimiento a una caja de engranajes. • Caja multiplicadora: Adapta la velocidad de giro de las palas a la velocidad de giro del generador eléctrico. Tiene un rendimiento elevado, pero su mantenimiento es muy complejo. • Freno: Necesario para regular el funcionamiento de la instalación y así reducir costes de mantenimiento. • Generador eléctrico: Transforma la energía mecánica en energía eléctrica. • Góndola: Lugar donde se ubican los equipos principales del aerogenerador. • Torre: Es la encargada de sujetar a los componentes arriba citados. Cuánto más alta sea la torre, más posibilidades se tienen de conseguir vientos de mayor velocidad y evitar las turbulencias del viento inferior. La torre se suele construir de acero o de hormigón. • Sistema de control: Alojado en el interior de la torre, para controlar todo el aerogenerador, en función de las condiciones exteriores y de las necesidades de producción.

Figure 4.

Elementos que componen un generador eólico

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IV. Modelado de un aerogenerador Un aerogenerador es un sistema complejo el cual convierte la energía del viento a energía mecánica, y ésta a su vez es transformada a energía eléctrica. El torque de salida de una turbina eólica depende de factores como la velocidad del viento, forma y tamaño de las aspas, etc. Para entender el comportamiento de una turbina eólica es necesario un modelo dinámico de la turbina involucrando éstos factores. Con el estudio de su modelo es posible controlar el desempeño de una turbina eólica, para cumplir cierta característica operacional deseada. A. Variables de Entradas y Salidas de un Aerogenerador Las variables de entrada y salida de un aerogenerador pueden ser enumeradas en la siguiente lista: 1) La velocidad del viento, la cual es una variable que no se puede controlar y determina la cantidad de energía que entra en la turbina eólica. 2) Características del Aerogenerador, tales como la geometría del rotor, eje horizontal o vertical, área de las hélices. 3) Velocidad de la turbina, proveniente del sistema de engranajes. 4) Variables de salida, como la potencia, que puede ser controlada variando las cantidades arriba mencionadas. B. Extracción de Potencia de Corrientes de Viento Ya con las variables de entrada y salida de una turbina eólica establecidas, es posible llegar a una ecuación relacionando estas variables. La relación entre la potencia y la velocidad del viento está dada en la ecuación 1, antes mencionada. Lo que necesitamos ahora es cuánta de esta potencia que tiene el viento es aprovechada por el aerogenerador, después de hacer varios cálculos [8] se obtienen las siguientes expresiones. 1 P = ρ · A · V 3 · Cp 2 1+ Cp =

V0 V




1−

2


V0 2 V

(2)  (3)

Siendo V la velocidad de entrada del aire y V0 la velocidad de salida. El C p es la fracción de la potencia del viento que es capturada por las aspas rotor, la cual tiene un valor máximo teórico de 0.59 [6]. También es referido como el coeficiente de potencia del rotor o la eficiencia del rotor. En métodos prácticos el C p máximo que se puede obtener está entre 0.4 y 0.5 para las turbinas de alta velocidad, y entre 0.2 y 0.4 para las más lentas [11]. De la ecuación 3, se puede ver que el coeficiente de potencia del rotor está determinado por el área efectiva de las aspas del rotor, la velocidad de viento de entra y de salida. Por lo tanto, la salida de potencia de la turbina puede ser variada cambiando las condiciones de flujo de viento en el sistema del rotor, lo cual forma las bases del control de turbinas eólicas hoy en día.

C. TSR (Tip Speed Ratio) El TSR λ, está definido como la proporción de la velocidad lineal en la punta del aspa y la velocidad del viento. Está dado por la siguiente expresión [12] : ωR (4) V Donde: R es el radio de las aspas del aerogenerador y ω es la velocidad angular del rotor en rad s . El TSR está relacionado con el punto de operación del aerogenerador en el cual se puede extraer la máxima potencia. El Cp máximo del rotor de la turbina eólica es alcanzado a un TSR particular, el cual es específico con el diseño aerodinámico de la turbina dada. Para mantener el TSR a un valor constante de eficiencia máxima, el rotor debe girar a una alta velocidad con un viento veloz, y debe girar a una velocidad baja con un viento lento. Entre más grande sea el TSR, más rápida debe ser la rotación de la turbina para cierta velocidad de viento. Aerogeneradores de alta velocidad son mejores para una generación de electricidad eficiente. T SR = λ =

D. Velocidad Variable frente a Velocidad Constante Tomando en cuenta la velocidad rotacional, las turbinas de viento pueden ser divididas en dos tipos: unidades de velocidad rotacional fija y de velocidad rotacional variable [14]. En las máquinas de velocidad constante, el generador eléctrico se conecta directamente a la barra infinita y gira siempre a la misma velocidad angular, la cual es un submúltiplo de la frecuencia de red [11]. Suelen emplearse generadores síncronos, aunque también se pueden usar generadores asíncronos. En el caso de estos últimos, la velocidad de giro variará ligeramente en función del par de torsión que se impone en el eje. En las máquinas de velocidad variable. El generador eléctrico esta conectado a la barra infinita a través de una etapa de electrónica de potencia, lo que permite variar la velocidad de giro del generador independientemente del valor de la frecuencia de red. Las variaciones de la velocidad del viento producen variaciones en el coeficiente de potencia salvo que se varíe la velocidad del generador (o el ángulo de paso de las aspas) para mantener constante la relación λ (según Ecuación 4), y por lo tanto, el coeficiente de potencia. Debido a que la curva del coeficiente de potencia (ver Fig 5) presenta un máximo para un determinado valor de λ (máxima transmisión de potencia), la mejor utilización del generador eólico se produce cuando se trabaja en ese punto. Evidentemente, en generadores eólicos de velocidad variable, se puede modificar la velocidad de giro de las palas para trabajar en el valor óptimo de la relación de velocidades λ o, al menos, cerca de su valor óptimo. De esta forma, el generador eólico de velocidad variable puede captar hasta un 10% más de energía media anual que el de velocidad constante [13]. No obstante, un aerogenerador de velocidad variable no puede trabajar siempre en el punto de máxima transmisión e potencia, ya que para velocidades de viento superiores a un valor asignado, no se puede superar la potencia nominal del generador y éste ha de trabajar en un régimen de potencia constante.

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Figure 5.

Ejemplo de evolución del Cp en función de la relación λ

Además del aumento en la energía capturada, los generadores de velocidad variable presentan otra ventaja: debido a ráfagas y a turbulencias del viento, los generadores de velocidad constantes experimentan grandes variaciones en el par de carga que producen grandes picos en la potencia generada. En los generadores de velocidad variable se pueden amortiguar estos picos de potencia, permitiendo al generador que se acelere almacenando la energía durante las turbulencias, lo que se traduce en una mejora de la calidad de la energía. Por el contrario, los principales inconvenientes de los generadores de velocidad variable son: 1) Mayor complejidad en los algoritmos de control. 2) Etapa compleja de electrónica de potencia para controlar la velocidad de giro del generador y la energía inyectada en la red eléctrica. 3) Menor fiabilidad. 4) Pérdidas adicionales en la electrónica de potencia No obstante, la eficiencia de un generador eólico de velocidad variable es muy similar, en conjunto, a la de un generador eólico de velocidad constante, para bajas velocidades de viento el generador de velocidad variable es más eficiente, mientras que para altas velocidades de viento el generador de velocidad constante es más eficiente [4]. Independientemente del funcionamiento a velocidad constante o variable, para la conversión de energía mecánica en energía eléctrica se emplean actualmente generadores asíncronos, tanto de rotor en corto circuito como de rotor bobinado, y de generadores síncronos de imanes permanentes y de rotor bobinado. V. Sistemas de generación Actualmente, existen tres principales tipos de turbinas de viento los cuales son los más utilizados. La principal diferencia entre los tres conceptos está en el sistema de generación y la vía en la cual la eficiencia aerodinámica del rotor es limitada durante vientos de alta velocidad. Casi todas las turbinas de viento instaladas en el presente poseen uno de los sistemas mostrados en la Fig. 7. A. Generador de Inducción (Rotor Jaula de Ardilla) En la Fig 6(a) se emplea un generador de inducción con rotor en jaula de ardilla con una arrancador electrónico que

limita la corriente de arranque. Un rotor de jaula de ardilla se compone de barras de cobre desnudo, los extremos opuestos se sueldan a dos anillos de cobre para que todas las barras estén en cortocircuito entre sí. Toda la construcción se asemeja a una jaula de ardilla, de donde se deriva el nombre [17]. En una máquina de inducción, el campo magnético lo crea una CA producida por una fuente o red de CA y la velocidad depende de la carga para una frecuencia dada. El principio de funcionamiento de la máquina de inducción se basa en la interacción electromagnética entre el campo magnético giratorio creado por la corriente suministrada al estator desde una fuente de CA trifásica y las corrientes inducidas en el rotor cuando los conductores son cruzados por el campo giratorio [16]. La interacción electromagnética en una máquina sin colector, solamente es posible cuando se da una diferencia entre la velocidad del campo n · s y la velocidad del rotor n. Se denomina deslizamiento s a la relación: ns − n · 100% (5) n Cuando n se mantiene dentro del rango [0, ns], o sea que s varía entre +1.0 y 0, la máquina funciona como motor. Cuando n > ns, esto es, cuando s varía entre [0, −∞[, la máquina se comporta como un generador. Un generador de inducción siempre consume potencia reactiva. En la mayoría de los casos, esto es indeseable, más si se trata de grandes turbinas de viento en redes débiles. De tal modo el consumo de potencia reactiva del generador de inducción con rotor de jaula de ardilla es casi siempre parcial o completamente compensado por capacitores a fin de lograr un factor de potencia cercano a uno. Este tipo de generadores son usados en turbinas de viento de velocidad variable. Para permitir la operación a velocidad variable, la velocidad mecánica del rotor y la frecuencia eléctrica de la red deben ser desacoplados. Para este fin la electrónica de potencia es empleada. S=

B. Generador de Inducción Doblemente Alimentado (Rotor Devanado) En generadores de inducción doblemente alimentado, el generador eléctrico tiene su estator conectado a la red eléctrica, mientras que un convertidor de voltaje back-to-back alimenta el devanado trifásico del rotor. El convertidor de voltaje backto-back consiste en dos inversores fuente de tensión (VSI), controlados mediante modulación de ancho de pulso, que comparten su etapa de continua. El convertidor asociado a la red controla los flujos de potencias activa y reactiva, manteniendo constante la tensión de la etapa de continua dentro de unos límites. Mientras tanto el convertidor asociado al generador controla la velocidad de giro y el flujo magnético del mismo. Las principales desventajas de este convertidor son el uso de condensadores voluminosos y de un elevado precio, y las pérdidas debido a la frecuencia de conmutación de los inversores al ser controlados con modulación de ancho de pulso. De este modo, la frecuencia mecánica y eléctrica en el rotor están desacopladas y la frecuencia del estator y el rotor pueden coincidir, independientemente de la velocidad mecánica del

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Figure 6.

Ensamblaje de una turbina eólica de 5 MW

rotor. Esto permite variar la velocidad del generador entre un ±30% y un ±50% respecto de su velocidad asignada. De esta forma, una gran parte de la energía capturada por el viento se inyecta directamente en la red a través del estator del generador y sólo una fracción de dicha energía se procesa con la electrónica de potencia, lo que constituye una ventaja a la hora del dimensionamiento de los convertidores de potencia. La electrónica de potencia controla, por un lado, la velocidad de giro del generador y, por el otro, los flujos de potencias activa y reactiva inyectadas en la red [11]. C. Generador Sincrónico Directamente Acoplado El generador sincrónico recibe la energía de excitación en CD, proveniente de una red, de una máquina excitatriz, o del campo magnético creado por imanes permanentes. En las máquinas de poca potencia, el campo o excitación lo produce el estator y en el sistema rotatorio se dispone el inducido. Para medianas y grandes potencias, donde la energía usualmente se genera en altos voltajes, los contactos entre las escobillas y los anillos rozantes, hacen necesario disponer el inducido en el estator y por lo tanto el campo en el rotor. Los rotores pueden ser diseñados para que los polos magnéticos sobresalgan (polos salientes) o adopten la disposición cilíndrica sencilla, esta última forma se utiliza mayoritariamente para aplicaciones de alta velocidad. En el generador sincrónico directamente acoplado, el generador es completamente desacoplado de la red por un convertidor electrónico de potencia. El lado de la red de este convertidor es alimentado por una fuente de voltaje, por ejemplo un puente de IGBT. El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del BJT y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el BJT. Generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión.

La tensión de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta, El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones: (1) Bajo ciclo de trabajo, (2) Baja frecuencia (menor a 20 kHz) (3) Aplicaciones de alta tensión (mayor a 1000 V) (4) Alta potencia (mayor a 5 kW) [7]. Y el lado del generador del generador sincrónico es alimentado por un puente rectificador. El generador es excitado ya sea usando un devanado de excitación o imanes permanentes [17]. La excitación utilizando imanes permanentes se suele emplear en generadores eólicos de potencia inferior a 1 kW como sistema de recarga de baterías en instalaciones, o en sistemas híbridos de potencia inferior a 20 kW que combinen algún dispositivo de almacenamiento de energía con el generador eólico. D. Sistema de velocidad Semi-Variable Adicionalmente a estos tres sistemas de generación, hay otras variantes. Uno es el sistema de velocidad semi-variable, en una turbina de velocidad semi-variable, un generador de inducción en el cual la resistencia del rotor pueda ser variado por medio de electrónica de potencia es usado. Por el cambio de la resistencia del rotor, es posible modificar la característica de velocidad/torque del generador y la velocidad transitoria del rotor puede ser llevada a un incremento de 10% de la velocidad nominal. En este sistema de generación, una capacidad limitada de velocidad variable es lograda con una relativamente bajo costo. Otras variaciones son un generador de inducción con rotor de jaula de ardilla o un generador sincrónico de alta velocidad que es conectado al eje de la turbina a través de una caja mecánica convertidora y la red por medio de un convertidor electrónico de potencia a plena capacidad del generador. Los generadores sincrónicos directamente acoplados a la red son utilizados en la mayoría de las plantas de generación convencionales, pero en el caso de las turbinas de viento, por depender de una fuente como el viento que no se puede controlar, no son utilizados [13].

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conectado a la red. Esto es complicado cuando se emplea un primotor que no es controlable. E. Comparación Cada uno de los tres principales sistemas de generación poseen sus ventajas y desventajas. La ventaja de un sistema de velocidad constante es que es relativamente simple. De tal modo, que los precios de turbinas de viento de velocidad constante tienden a ser mas bajos que los de velocidad variable. Sin embargo, las turbinas de viento para velocidad constante deben ser mecánicamente más robustas que las turbinas de velocidad variable. Debido a que la velocidad del rotor no puede ser variada, las fluctuaciones en la velocidad del viento son trasladados directamente en fluctuaciones del torque actuante en el eje, causando cargas estructurales mayores que con la operación a velocidad variable [15]. Esto parcialmente cancela la reducción de costos logrado por el uso de generadores relativamente más económicos. Además, el ruido puede ser un problema, debido a que los niveles de ruido están fuertemente relacionados con la velocidad de giro de la pala, y de ahí a la velocidad rotacional del rotor, la cual por supuesto no puede ser cambiada en las turbinas de velocidad constante. Este problema es, sin embargo, aliviado usando generadores cuyo número de pares de polos puedan ser cambiados, permitiendo a la turbina girar a una más baja velocidad rotacional cuando la velocidad del viento es menor. La principal ventaja de la operación a velocidad variable es que más energía puede ser generada para un régimen de velocidad de viento específico. Las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de fuente de generación son mostradas en la Tabla 1. Table I Ventajas y desventajas de los sistemas de generación Velocidad Constante

Pros

Contras

Figure 7.

Simple y Robusto, Eléctricamente eficiente, Generador estándar Aerodinámica menos eficiente, Estrés mecánico, Ruidoso

Doblemente Alimentado Menos esfuerzo mecánico, Menos ruidoso, Generador estándar, Menor capacidad del convertidor Eléctricamente menos eficiente, Costoso

Directamente Acoplado Menos esfuerzo mecánico, Menos ruidoso Eléctricamente menos eficiente, Convertidor de mayor capacidad, Generadores más pesados, grandes y complejos

Sistemas de generacion mas comunes en aerogeneradores

VI. Control de las turbinas de viento Aunque las turbinas de viento con los generadores sincrónicos conectados directamente a la red han sido construidas en el pasado, este tipo de generador no ha sido aplicado más. Su característica dinámica desfavorable cuando son usados en combinación con una fuente primaria fluctuante causa altas cargas estructurales. Además, las turbinas de viento son presuntamente conectadas y desconectadas de la red y un generador sincrónico debe ser sincronizado antes de ser

Los principales objetivos de los sistemas de control de las turbinas de viento son: • Reducción de cargas mecánicas en la turbina y en el sistema de transmisión. • Aprovechamiento máximo de la energía cinética del viento. • Reducción de las oscilaciones de potencia eléctrica y voltaje en el punto de conexión común.

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Cuando la velocidad del viento se incrementa por encima de la velocidad nominal, la potencia generada no puede ser incrementada más, debido a que esto llevaría a la sobrecarga del generador. De tal modo, que la eficiencia aerodinámica C p , debe ser reducida, a fin de limitar la potencia extraída desde el viento a la potencia nominal del sistema de generación. Esto corresponde a un ajuste de C p , el cual puede ser obtenido de dos modos [14]. El primero es diseñar las palas del rotor de modo tal que su eficiencia inherentemente disminuya con incrementos de la velocidad por encima de la nominal. Este enfoque es denominado limitación de potencia por pérdida aerodinámica o control por pérdida, stall control. En este caso, los sistemas de control no activos son aplicados para reducir el ángulo de paso. La segunda posibilidad para reducir la eficiencia aerodinámica del rotor es rotar las palas fuera del viento por medio del uso de mecanismos hidráulicos o motores eléctricos. Este enfoque es denominado control del ángulo de paso, pitch control. En contraste con el control de pérdida, el control de ángulo de paso, requiere sistemas de control activos para girar las palas. Una combinación de los dos enfoques es el control activo de pérdida, active stall control. El cual algunas veces es empleado en grandes turbinas de viento con velocidad fija. Con este enfoque, las palas son giradas en la dirección opuestas como con el control de ángulo de paso. Esto causa el denominado efecto de pérdida profunda [12]. El ángulo de rotación es menor que en el caso del control de ángulo de paso y las palas son giradas en un número discreto de paso, en vez que en el caso del control de paso, donde el ángulo de pala es variado de forma continua. En los sistemas de aerogeneradores de velocidad constante, existen dos métodos principales de control [13]: • Control de entrada en pérdida aerodinámica. • Control por variación de paso de la pala. En las turbinas de viento con velocidad variable se pueden seguir dos esquemas principales de control: • Control de torque: A partir de la velocidad del viento, se obtiene el torque correspondiente en la curva característica de torque-velocidad. Este torque se toma directamente como referencia para el sistema de control. • Control de velocidad: A partir de la velocidad del viento medida por un anemómetro, se obtiene la velocidad de referencia. La velocidad es controlada por un lazo externo al control de torque La Fig. 8, presenta las curvas resultantes de potencia versus velocidad del viento características para estas estrategias de control. VII. Conclusiones Debido a los cambios que está experimentando el mundo tales como el calentamiento global y el agotamiento de los combustibles fósiles la necesidad de otras alternativas de energía es cada vez mayor. Este artículo fue orientado a una en particular, la energía eólica, de todas las alternativas de energía limpia esta es la que posee un mayor futuro debido las grandes ventajas que posee.

Figure 8. Control aerodinámico de potencia, la línea delgada representa un sistema de velocidad fija con diferentes ángulos de paso pero fijo, la línea gruesa representa un sistema regulado por ángulo de paso.

Primero se habló de la energía eólica en sí, cómo se produce el viento, cuales son los lugares idóneos para colocar un aerogenerador y cuál es la energía extraída de un flujo de viento a una velocidad V. Luego se cubrió la parte de generadores eólicos, sus tipos, de eje horizontal, eje vertical, de dos palas o tres palas, además de sus elementos fundamentales y principio de operación. Ahora bien, para la construcción de un aerogenerador primero se debe tener un modelo que involucre todas, o la mayoría, de las variables que participan en la generación de energía eléctrica, para así saber las dimensiones de la máquina en función de la potencia deseada. Se necesita saber la potencia que extrae la turbina del viento, la cual se puede modificar, para así siempre, o la mayoría del tiempo, obtener la mayor cantidad de potencia independientemente de la velocidad del viento, para esto se necesita variar el ángulo de paso de las aspas, variando así la velocidad de las mismas, todo esto con el fin de modificar el TSR para que se mantenga en el punto de máxima operación (ver Fig. 5). Se cubrió la parte de generación de energía eléctrica a partir de energía mecánica, lo cual se consigue con generadores, ya sean sincrónicos o de inducción. En el mercado de la generación de energía, los generadores por excelencia, usados casi por defecto son los generadores sincrónicos, esto por su gran eficiencia y otros atributos que lo hacen imprescindible en la generación de energía. Por increíble que parezca en los aerogeneradores no es factible utilizar estos generadores, se utilizan si, pero su eficiencia no es la mejor comparada con el generador de inducción. Pero, por qué, a diferencia de las plantas hidroeléctricas o geotérmicas que utilizan un flujo controlado de agua o vapor, los aerogeneradores dependen de un factor que no pueden controlar, el viento. Y los generadores sincrónicos al tener en el primotor una velocidad variable pierden su eficiencia y estabilidad, causando ruido en la red eléctrica. Los generadores de inducción son más flexibles a estas variaciones y se pueden adaptar, por medio de electrónica de potencia y cajas de engranajes, a la velocidad variable del

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viento. Un método mas costoso pero a largo plazo es la opción más factible. Se mencionaron los sistemas de generación más utilizados en el mercado actual, los cuales son el generador de inducción con rotor de jaula de ardilla, el generador de inducción doblemente alimentado con rotor devanado y el generador sincrónico directamente acoplado. Se mencionaron las ventajas y desventajas de cada uno de los sistemas de generación. Finalmente se abarcó un poco la parte de control de los generadores con los cuales se varía la velocidad de las aspas para así obtener el mayor coeficiente de potencia y la reducción de cargas mecánicas en la turbina. La intención del artículo es informar acerca del modo de operación de las turbinas eólicas asi como de sus ventajas, su importancia y cómo es que su uso ha aumentado exponencialmente al pasar de los años (ver Fig. 1), se espera que para el 2030 hayan 2.300 GW de potencia instalados alrededor del mundo, lo que nos brindaría un ahorro de 843 millones de toneladas de emisiones de CO2 por año [5]. References [1] Arnaltes Gómez, S. Burgos Díaz, J. C. y Rodríguez Amenedo, J. L. (2001). Control de las potencias activa y reactiva de un parque eólico con turbinas de velocidad variable. Energía, pp 119-125. [2] Cadiz deleito, J. (1984). La Energia Eolica. Tecnologia e Historia (Primera ed.) Madrid: Unigraf. [3] Carlin, P. W. Laxson, A. S. (2003). The history and state of the art of variable-speed wind turbine technology. Wind Energy, 6:129-159 [4] Ciemat (1997). Principios de Conversión de la Energía Eólica. Ciemat. [5] Global Wind Energy Council (2010). Global Wind Energy Outlook 2010 : Greenpeace. [6] Golding, E. (1986). The Generation of Electricity by Wind Power (1era ed.) London: E. & F. N. Spon Ltd. [7] Grauers, A. (1994). Synchronous generator and frequency converter in wind turbine applications: system design and efficiency. Informe Técnico 175 L, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden. [8] J.F. Manwell, J.G. McGowan and A.L. Rogers, (2002) Wind energy Explained – Theory, Design and Application, John Wiley& Sons, ch. 7. [9] J. G. Slootweg, S. W. H. de Haan, H. Polinder, and W. L. Kling, “General Model for Representing Variable Speed Wind Turbines in Power System Dynamics Simulations”. IEEE Trans. Power on Systems, Vol. 18, No. 1, February, 2003. [10] Madrid, A. (2009). Energias Renovables. Fundamentos, Tecnologias y Aplicaciones (1era ed.) Madrid: AMV Ediciones [11] Mukund. R. Patel, (1999) Wind Power Systems, CRC Press, ch. 4-6. [12] Ofualagba, G. & Ubeku, E. (2011). The Modeling and Dynamic Characteristics of a Variable Speed Wind Turbine (No.3). Faculty of Engineering, Department of Electrical and Electronics Engineering, University of Benin. [13] Simoes, M. & Farret, F. (2012). Renewable Energy Systems: Design and analysis with induction generators (1 ed.) Florida: CRC Press. [14] T. Petru. “Modeling of Wind Turbines on Power System Studies”. Phd Thesis, Chalmers University of Technology, School of Electrical and Computer Engineering, Göteborg, Sweden, December, 2003. [15] Thresher, R. W. y Dodge, D. M. (1998). Trends in the evolution of wind and turbine generator configuration and systems. Wind Energy, 1:70-85 [16] Tolosa, J. (1993). Aerogeneracion de Energia (Segunda ed.) QuitoEcuador: Organizacion Latinoamericana de Energia. [17] Wildi, T. (2007). Maquinas Electricas y Sistemas de Potencia (6ta ed.) Mexico: Pearson Education.