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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE EMULADOR DE UNA TURBINA EOLICA MEDIANTE EL ACOPLE DE UN MOTOR Y GENERADOR
David Felipe Bajonero Sandoval Jeyson Eduardo Sanabria Vargas
Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería
Proyecto Curricular Ingeniería Eléctrica Bogotá D.C., Colombia
2016
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE EMULADOR DE UNA TURBINA EOLICA MEDIANTE EL ACOPPLE DE UN MOTOR Y GENERADOR
David Felipe Bajonero Sandoval Jeyson Eduardo Sanabria Vargas
Proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar al título de: Ingeniero Eléctrico
Director: Ing. César Leonardo Trujillo Rodríguez
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad de Ingeniería Proyecto Curricular Ingeniería Eléctrica
Bogotá D.C., Colombia 2016
La imaginación es más importante que el conocimiento.
Albert Einstein
Agradecimientos
Quiero dar gracias a Dios y a María Auxiliadora, todo lo ha hecho ella. A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y a nuestro director el profesor Cesar Trujillo, quien nos confió este proyecto cuando nadie más creyó en nosotros.
A mis padres, Janeth Sandoval y Marco David Bajonero por su dedicación y ejemplo de trabajo duro y honesto. A mis abuelos, pues su educación y valores han sido vitales para mi vida. A mi hermana Lina, por su consejo constante y compañía en tantos momentos difíciles.
A María Camila Cuellar por su apoyo en esta difícil etapa y por ser parte de mi proyecto de vida. A Carlos Martínez y Martha Sandoval, por su ayuda y compañía en este proceso.
A Diego Aragón, por su tiempo y paciencia y a todas esas personas que estuvieron presentes en mi formación personal y académica, ya que influyeron en mi vida, ayudándome a ser mejor persona y a nunca desfallecer. Gracias por su cariño, amistad y confianza. A Jeyson Sanabria, por haberme acompañado en este proyecto.
David Felipe Bajonero
Durante cada etapa de la vida siempre se cuenta con diferentes personas en cada instante, hoy quiero agradecer a todas aquellas personas que fijaron su apoyo y confianza en mí para alcanzar esta etapa de la vida especialmente a mis padres y hermanos que con su amor incesante y continuo apoyo permitieron que todo esto fuera posible.
A cada uno de mis compañeros y amigos de la carrera universitaria que con sus distintas personalidades y formas de ser contribuyeron a forjar carácter y aprendizajes para un futuro ingeniero.
A Angélica Cruz Bernal quien gracias a su apoyo, comprensión y amor esta etapa es culminada para iniciar nuevas juntos, al profesor cesar Leonardo Trujillo que gracias a su confianza en nosotros y su asesoría hizo de este proyecto una realidad y por ultimo quiero agradecer a David Felipe Bajonero mi compañero de lucha en la culminación de este proceso de aprendizaje que con su confianza y buena actitud permitieron alcanzar este nuevo logro.
Jeyson Eduardo Sanabria
Resumen
El presente documento expone la etapa de diseño y construcción de un emulador de una turbina eólica que se empleará, a nivel de laboratorio, con el fin de reproducir perfiles de viento, con el fin de contar con una herramienta que permita recrear condiciones medioambientales reales en turbinas eólicas de pequeña potencia previamente seleccionadas.
Existen varios tipos de emuladores eólicos entre los cuales se encuentran los de túnel de viento, estos utilizan un motor con hélice en su eje para obtener la velocidad del viento deseada. La opción que se emplea en este trabajo se basa en una implementación electromecánica compuesta por una etapa de control, equipos electromecánicos (motor y generador) y una visualización del estado del emulador a través de software.
Para el diseño de este prototipo se planteó el reemplazar la energía presente en el viento y la turbina eólica que explota dicha energía, por un control de velocidad desde un computador, para un motor de inducción trifásico, impulsando así, a un generador de imanes permanentes. El conjunto de equipos motor-generador es controlado con un programa implementado en el software Labview. Con el fin de dar la flexibilidad al sistema y poder ingresar las características medio ambientales reales de velocidad del viento en el emulador, esta herramienta de programación, brinda la posibilidad de ingresar un perfil de viento manualmente con el fin de realizar su estudio bajo un entorno controlado.
Este proyecto fue diseñado con el objetivo de realizar la emulación de turbinas eólicas de baja potencia, las cuales pueden llegar a ser herramientas de gran importancia para dar solución a la demanda energética de zonas que no se encuentran interconectadas al sistema eléctrico nacional y por ende no cuentan con el suministro constante de energía eléctrica.
Palabras clave: Emuladores eólicos, motor, generador, Labview, turbina eólica.
Abstract
This document presents the design and construction stage of a wind turbine emulator that will be used at the laboratory level in order to reproduce wind profiles, in order to have a tool to recreate real environmental conditions in Previously selected small wind turbines.
There are several types of wind emulators including wind tunnel, they use a propeller motor on its axis to obtain the desired wind speed. The option that is used in this work is based on an electromechanical implementation composed of a control stage, electromechanical equipment (motor and generator) and a visualization of the state of the emulator through software.
For the design of this prototype, it was proposed to replace the energy present in the wind and the wind turbine that exploits said energy, by speed control from a computer, for a three-phase induction motor, thus driving a permanent magnet generator. The set of motor-generator sets is controlled with a program implemented in the Labview software. In order to give flexibility to the system and to be able to enter the real environmental characteristics of wind speed in the emulator, this programming tool offers the possibility of entering a wind profile manually in order to carry out its study under an environment checked.
This project was designed with the aim of emulating low-power wind turbines, which can become very important tools to solve the energy demand of areas that are not interconnected to the national electricity system and therefore not Have the constant supply of electricity.
Key words: Wind emulators, engine, generator, Labview, wind turbine.
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Contenido
ÍNDICE DE FIGURAS ..................................................................................................................................... 9
ÍNDICE DE TABLAS ..................................................................................................................................... 10
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................... 11
1. FUNDAMENTOS, OBJETIVOS Y LINEAMIENTOS DEL PROYECTO ....................................................... 13
1.1 Objetivos, alcances y limitaciones del proyecto ............................................................................. 14
1.1.1 Objetivo general ................................................................................................................... 14
1.1.2 Objetivos Específicos ............................................................................................................ 14
2. ENERGIAS ALTERNATIVAS ................................................................................................................. 15
2.1. Energía Eólica ........................................................................................................................... 18
2.1.1. El viento ........................................................................................................................... 18
2.1.2. Velocidad del viento ........................................................................................................ 20
2.1.3. Medición de las magnitudes del viento ........................................................................... 21
2.1.4. Vientos en Colombia ........................................................................................................ 21
3. TURBINAS EOLICAS ........................................................................................................................... 25
3.1. Tipos de turbinas eólicas .......................................................................................................... 25
3.1.1. Turbinas de eje vertical .................................................................................................... 27
3.1.2. Turbinas de eje horizontal ............................................................................................... 28
3.2. Emuladores de turbinas eólicas ............................................................................................... 31
3.2.1. Parte electromecánica ..................................................................................................... 32
3.2.2. Parte de control ............................................................................................................... 33
4. DISEÑO DEL EMULADOR ................................................................................................................... 35
4.1 Implementación del Hardware y componentes ....................................................................... 36
4.1.1 Motor de inducción .............................................................................................................. 36
4.1.2 Generador sincrónico. .......................................................................................................... 38
4.1.3 Variador de velocidad. ......................................................................................................... 39
4.1.4 Caracterización del emulador (Motor - Generador) ............................................................ 41
4.2 Turbina eólica escogida ............................................................................................................ 43
4.3 Relación frecuencia – velocidad del viento en función de la potencia. ................................... 45
5 Implementación del software. .......................................................................................................... 49
6 PRUEBAS EXPERIMENTALES .............................................................................................................. 55
Partes mecánicas del emulador ............................................................................................................ 56
Partes de adquisición de datos ............................................................................................................. 56
6.1 Prueba manual: Comparación con la curva entregada por el fabricante de la turbina elegida ..... 56
8
6.2 Perfil de viento 1 ...................................................................................................................... 58
6.3 Perfil de viento 2 ...................................................................................................................... 60
7. ANÁLISIS ECONÓMICO ...................................................................................................................... 65
8. CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 67
9. Bibliografía ........................................................................................................................................ 69
ANEXOS ..................................................................................................................................................... 71
9
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1 Capacidad instala de energía eólica [12]. ................................................................................ 18 Figura 2-2. Brisas Marinas y Brisas terrestres Disponible en línea. .......................................................... 20 Figura 3-1. Turbina eólica con convertidor AC-DC. ................................................................................... 25 Figura 3-2. Turbina de eje horizontal [3]. ................................................................................................. 26 Figura 3-3.Hélices de una turbina tipo Savonius [24]. .............................................................................. 26 Figura 3-4.Generador Savonius de 3 palas. Tomado de [14]. ................................................................... 28 Figura 3-5.Vista lateral de un aerogenerador de eje horizontal. Tomada de [13]. .................................. 30 Figura 3-6.estrategia de control actual de turbina de velocidad variable [12]. ........................................ 31 Figura 3-7. Sistema de una turbina eólica [8]. .......................................................................................... 32 Figura 4-1.Estructura de una turbina eólica. [34] ..................................................................................... 35 Figura 4-2 .Disposición de equipos del emulador de turbina eólica. ........................................................ 36 Figura 4-3. Caja de bornes de máquina jaula de ardilla, conexión estrella y triangulo respectivamente [36]. ........................................................................................................................................................... 37 Figura 4-4. Diagrama de bloques del variador de velocidad [37]. ............................................................ 39 Figura 4-5. Partes principales del variador de velocidad. ......................................................................... 40 Figura 4-6. Conexión del variador [37]. .................................................................................................... 41 Figura 4-7. Caracterización del grupo motor-Generador. ........................................................................ 43 Figura 4-8. Datos de potencia aerogenerador Eolos 600W. ..................................................................... 44 Figura 4-9. Curva de potencia de salida turbina Eolos 600W. .................................................................. 45 Figura 4-10. Ingreso de datos al programa Table Curve 2D. ..................................................................... 47 Figura 4-11. Posible solución suavizada a conjunto de datos. .................................................................. 47 Figura 4-12. Posible solución a conjunto de datos. .................................................................................. 48 Figura 5-1.Bloque DAQ en LabView. ......................................................................................................... 49 Figura 5-2.Entrada de las señales al software mediante el DAQ. ............................................................. 50 Figura 5-3.Perfil de viento y fórmula matemática de la turbina en el software. ...................................... 51 Figura 5-4.Configuración de la planta en el software. .............................................................................. 52 Figura 5-5.Amplificador no inversor dispuesto en la salida del DAQ. ....................................................... 52 Figura 5-6. Parte del programa donde se realiza el ingreso del perfil de viento. ..................................... 53 Figura 5-7.Interfaz del programa donde se muestra el comportamiento del emulador. ......................... 54 Figura 6-1. Partes y componentes del prototipo de emulador eólico terminado vista frontal. ............... 55 Figura 6-2. Partes y componentes del prototipo de emulador eólico vista superior. .............................. 55 Figura 6-3. Comportamiento del emulador durante la prueba en modo manual según la curva de potencia dada por el fabricante de la turbina elegida. ............................................................................. 57
10
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2-1.Comparación de energías renovables y convencionales. ......................................................... 17 Tabla 2-2. Estaciones de medición de potencial eólico en Colombia. ...................................................... 24 Tabla 4-1.Características Motor WEG W22. ............................................................................................. 37 Tabla 4-2. Valores de la curva de potencia Aerogenerador Eolos 600W. ................................................. 45 Tabla 4-3. Relación en términos de la potencia del comportamiento del emulador y de la turbina real.46 Tabla 6-1.Comparación de resultados de potencia dado por el fabricante, el entregado por el emulador y la potencia medida. ................................................................................................................................ 57 Tabla 6-2. Error en el emulador eólico. .................................................................................................... 58 Tabla 6-3.Promedio mensual de velocidad de viento en la ciudad de Bogotá. ........................................ 59 Tabla 6-4. Perfil de viento ingresado para la primera simulación. ........................................................... 60 Tabla 6-5. Promedio mensual de velocidad de viento en coordenadas de un municipio de la Guajira. .. 61 Tabla 6-6.Perfil de viento ingresado para la segunda simulación. ........................................................... 62 Tabla 7-1.Equipos utilizados en la etapa mecánica del emulador y sus respectivos precios. .................. 65 Tabla 7-2.Equipos utilizados en la etapa de control y software del emulador y sus respectivos precio. . 65 Tabla 7-3. Precio de los gastos adicionales. .............................................................................................. 66 Tabla 7-4. Valor total invertido en el prototipo del emulador*. .............................................................. 66
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INTRODUCCIÓN
La energía eléctrica es actualmente materia prima para el nivel de desarrollo de los países, el suministro eléctrico no es solo la columna vertebral de la industria y el comercio, sino que también es fuente de las comodidades con las que cuenta la humanidad. La generación de esta se ha concentrado en el uso y explotación de los recursos naturales no renovables, en su mayoría de origen fósil. Como consecuencia de esta dinámica de producción energética se registra un aumento considerable de los niveles de contaminación existentes en la atmosfera. Estas altas concentraciones de contaminantes del aire están afectando negativamente a los ciudadanos al disminuir su calidad de vida y causar muertes prematuras y enfermedad [1].
Las organizaciones internacionales y los gobiernos de muchos países se han planteado una serie de objetivos para incentivar el uso de energía limpia para lograr una mitigación de dicha contaminación. Las energías renovables han surgido entonces como respuesta a esta necesidad, gracias a que generan energía eléctrica a partir de fuentes no convencionales de energía con cero emisiones de gases de efecto invernadero. La energía eólica en especial, se proyecta como una de las más importantes fuentes alternativas de energía eléctrica, gracias a que cuenta en los últimos años con un gran desarrollo tecnológico. Es contemplada como alternativa para suplir el 12% de la demanda energética mundial para el año 2020[2][3].
En Colombia ésta también es una de las alternativas que se tiene para suplir el aumento de la demanda energética, se tiene proyectado que en los próximos años en el país se instalen 474 MW eólicos en el norte de la Guajira que reemplazarían 250 MW térmicos a base de carbón [4]. Por lo cual, el análisis y los estudios para aumentar la producción energética por este medio no se pueden seguir postergando en el país.
En la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, el laboratorio de investigación de fuentes alternativas de energía LIFAE, es consciente de la necesidad de iniciar estudios que permitan a corto plazo la explotación de energía eólica, este documento muestra un análisis a las actuales tecnologías de turbinas y aerogeneradores y los mecanismos utilizados para estudiar su comportamiento en entornos controlados, así como el diseño y la construcción de un emulador de una turbina eólica de baja potencia, con el objetivo de ver cuál sería su comportamiento trabajando bajo condiciones ambientales conocidas, consignadas en un perfil de viento particular.
El presente documento se encuentra organizado de la siguiente manera: En el primer capítulo se presentan los objetivos del proyecto los cuales permiten enfocar los esfuerzos y recursos en pro de obtener los resultados planteados. En el capítulo 2 se muestra un panorama del uso actual de las energías llamadas alternativas o renovables, resaltando la importancia de estas, especialmente la energía eólica, el viento, su origen y el potencial eólico con el que cuenta Colombia, consignado en el atlas de viento publicado por la UPME.
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En el capítulo 3 se hace un breve repaso por las características de los tipos de turbinas existentes actualmente, mostrando como estas han contribuido al aumento del interés mundial por explotar la energía eólica y dando argumentos para elegir el tipo de turbina que se escogió con el fin de implementar el emulador. A demás, también se hace una inspección por los tipos de emuladores que se estudiaron antes de iniciar el diseño y la elaboración del emulador expuesto en este documento.
En el capítulo cuatro se consigna la parte más relevante del proyecto, pues allí están consignados los pasos para el diseño y la fabricación del prototipo, describiendo sus partes y el proceso de selección que se llevó acabo para cada uno de los equipos, incluyendo la caracterización del grupo motor-generador, los detalles que llevaron a la elección de la turbina a emular y los detalles de la parte mecánica del emulador.
El diseño del programa que permitiera realizar la adquisición de datos de la etapa mecánica del emulador y la implementación de la interfaz gráfica capaz de permitir el ingreso de los datos seleccionados por el usuario, están consignados en el capítulo 5, donde se explica por pasos las funciones de las herramientas utilizadas en el entorno grafico de Labview para cumplir los requerimientos previamente mencionados.
Las pruebas que se realizaron una vez el prototipo del emulador estuvo finalizado se encuentran consignadas en el sexto capítulo, adicionalmente a la prueba que permitió determinar el porcentaje de error que posee la turbina también se mostraron dos ejemplos, donde se cargaron dos perfiles de viento de dos zonas diferentes del país para determinar la posible viabilidad de la implementación de este tipo de turbinas en las zonas no interconectadas del territorio nacional.
El capítulo 7 presenta un análisis económico que se realizó a las dos etapas del proyecto, para determinar la inversión total realizada en la implementación del prototipo.
Finalmente, se exponen las conclusiones obtenidas a través del desarrollo del proyecto.
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1. FUNDAMENTOS, OBJETIVOS Y LINEAMIENTOS DEL PROYECTO
Actualmente, la situación medio ambiental que se presenta a nivel mundial muestra, sin duda alguna que la crisis debido a los altos niveles de contaminación y el agotamiento de los recursos naturales no renovables es un hecho. Por esto se hace indispensable la explotación de energías renovables, en especial la energía eólica.
Desde la década de los 90 la demanda de generación de energía por medio de fuentes alterativas ha venido creciendo a nivel global alrededor de un 25% por año. Este crecimiento ha sido impulsado por un aumento de la demanda mundial de electricidad y el aumento de costo de los combustibles no renovables entre otras [5].
El gran crecimiento que han presentado las energías renovables, ha logrado que mundialmente estas sean cada vez más relevantes, representando para el año 2013 el 19,1% del uso total de energía a nivel global y para finales del 2014, 22,8% de la producción mundial de energía, de los cuales el 3,1% correspondió a energía producida a partir de energía eólica [6].
Resultados como los 8,75 MW eólicos instalados en altamar en aguas del norte de Europa para el año 2014 [7], son producto de los avances tecnológicos y el tiempo dedicado al desarrollo de este tipo de producción energética, por esto y por el potencial de este tipo de energía, se hace necesario estudiar el comportamiento de aerogeneradores. La implementación de emuladores eólicos, ha permitido evaluar la eficiencia de turbinas bajo diferentes condiciones de trabajo en un ambiente controlado [8], donde se somete a pruebas y se obtienen resultados en laboratorio, mejorando así los diseños desarrollados para explotar de la mejor manera posible el viento, en aras de obtener energías más limpias.
El potencial eólico con el que cuenta el país y el contexto en el cual se espera estar próximamente con la entrada en vigencia de la ley 1715 del 13 de mayo del 2014, la cual, tiene por objeto incentivar el uso de las energías renovables y su aplicación y desarrollo especialmente en zonas no interconectadas del país, las cuales agrupan a cerca de 114232 usuarios conectados, con una capacidad instalada de 112MW, cubriendo cerca del 66% del territorio nacional [9], estos y otros factores crea un escenario propicio para pensar en la energía eólica, como solución a los problemas de suministro eléctrico del país.
Por lo anterior es imperativo entonces tener estudios avanzados sobre las posibilidades que tienen las energías renovables en el territorio nacional y bajo qué condiciones se puede obtener el mayor beneficio posible por parte de estas. Por ejemplo, lograr que para estas zonas, caracterizadas por la baja demanda de potencia, puedan implementar sistemas híbridos de generación de energía eléctrica.
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1.1 Objetivos, alcances y limitaciones del proyecto
1.1.1 Objetivo general
Diseñar e implementar un emulador eólico mediante un acople electro mecánico, compuesto por un motor y un generador con el fin de obtener características similares a las que proporciona un aerogenerador domestico de baja potencia, bajo condiciones ambientales reales.
1.1.2 Objetivos Específicos
• Seleccionar y caracterizar el grupo motor-generador empleados para realizar el montaje del emulador eólico, cuyas características se ajusten a las turbinas de baja potencia seleccionadas
• Diseñar e implementar el control para el emulador eólico • Reproducir el comportamiento de una turbina elegida bajo condiciones específicas
de funcionamiento a partir de perfiles de viento ingresados en el control del emulador eólico
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2. ENERGIAS ALTERNATIVAS
En este capítulo se presenta el panorama en el que se han venido desarrollando las energías renovables a nivel mundial, mostrándolas como una de las soluciones al aumento de la demanda de energía eléctrica a nivel mundial y a los actuales problemas de contaminación y de cambio climático, también se muestran algunas características del viento y del potencial eólico con el cual cuenta Colombia.
El desarrollo de la población mundial y de sus civilizaciones se dio en gran parte al aprovechamiento de material fósil. La aparición de derivados del petróleo, facilitó la evolución de medios de transporte y actividades tan sencillas como la forma de cocción de los alimentos. La utilización de estas tecnologías dejó atrás el pasado prehistórico cuando los barcos eran impulsados gracias al viento que pegaba en sus velas, cuando se usaban molinos impulsados por agua para el procesamiento de alimentos.
Podrían considerarse éstas como las primeras formas de explotación de las llamadas energías renovables o alternativas, que gracias a los actuales altos índices de contaminación, el agotamiento de los recursos explotados durante tantos años y a la intensificación por la emisión de gases del fenómeno natural conocido como el efecto invernadero, hoy se estudian y se exploran de nuevo para lograr obtener energía eléctrica de manera limpia, y frenar en alguna medida la emergencia del cambio climático. Este tipo de fuente energética tiene como característica que se origina en fenómenos naturales cuyos periodos de regeneración son relativamente cortos, por lo que se encuentran disponibles de forma continua. Las fuentes renovables de energía perdurarán por miles de años [10].
Luego de varias reuniones que citaron a países desarrollados para reconocer las variaciones climáticas que se presentaban en el mundo por consecuencia de las actividades humanas, llegaron los compromisos internacionales; en 1997 en el protocolo de Kioto se determinaron ciertas responsabilidades encaminadas en pro de obtener una reducción del 5% en las emisiones contaminantes, éste fue el compromiso que se trazó en ese entonces; la mitigación a partir de acciones directas sobre medios de transporte, industria y en la generación de energía eléctrica serían los pasos para llegar a una reducción considerable del inminente cambio climático.
Uno de los gases que tiene la propiedad de retener el paso de los rayos infrarrojos que llegan a la tierra es el CO2 (Dióxido de carbono), éste aparece como residuo luego de la generación de energía eléctrica con combustibles de naturaleza fósil. En las centrales térmicas, el CO2 generado por kWh es:
Gas Natural: 0,18 Kg de CO2/kW
Carbón: 0,33 Kg de CO2/kWh
Gasoil: 0,29 Kg de CO2/kWh[11]
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Este CO2 resultante es una razón más para encontrar en las energías renovables la posibilidad, no solo como un mecanismo para la mitigación del impacto ambiental a la hora de la generación energética, sino también como la posibilidad de contar con fuentes energéticas trabajando con materias primas casi inagotables.
Las consecuencias debido al calentamiento global podrían llegar hacer irremediables, el efecto invernadero puede llegar a aumentar la temperatura del agua a más de 30°C, temperatura suficiente para que los corales pierdan algas microscópicas que les proporcionan energía cambiando así su color y muriendo [11].
Las medidas deben iniciar con la explotación responsable de recursos naturales y por su puesto con la exploración en fuentes alternativas de energía, de no ser así, las elevadas temperaturas llevarán a que exista un aumento en los niveles de los mares afectando al 50% de la población que habita a 15 Km de la costa, sin mencionar los daños a la fauna y sus hábitats. Aguas procedentes del hielo de Groenlandia ( aprox 0,2 mm al año), del hielo de la Antártida (aprox 0,2 mm al año), de glaciares y otras capas de hielo y debido a la expansión térmica de los océanos (aprox 1,6 mm al año) serán las causantes de un aumento de 88 cm en este siglo [11], afectando de esta manera millones de personas que viven cerca de lugares con marea alta.
El petróleo es la fuente de energía no renovable más usada a nivel mundial y realmente es difícil estimar cuanto llegarán a durar las reservas de éste e incluso la inestabilidad de su precio durante el último año hace que se reduzca su consumo y aumente el interés y el uso de las energías renovables. En la Tabla 2-1 se presenta una comparación de las fuentes renovables y no renovables haciendo énfasis en las ventajas y desventajas de cada tecnología.
La explotación de fuentes no convencionales de energía puede verse como solución energética y ambiental a nivel mundial, igualmente una gran oportunidad para aprovechar características atmosféricas de ciertos lugares donde probablemente es difícil hacer llegar el recurso energético. La energía eólica no es la excepción y sus últimos avances tecnológicos y los más de 60 GW instalados a nivel mundial a partir de la explotación de la energía del viento[7] argumentan la necesidad de analizar las cualidades de esta tecnología y de las turbinas con las que se trabaja, tal como trata de hacerlo este documento.
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Tabla 2-1.Comparación de energías renovables y convencionales.
VENTAJAS DESVENTAJAS
BIOMASA
No emite gases que provocan el efecto invernadero y puede
emplearse como carburante en motores de combustion interna
Necesitan una gran cantidad de biomasa para conseguir la misma cantidad de energía que con otras fuentes
EÓLICA Inagotable, limpia y gratuita Discontinuidad . Las torres generadoras afectan el
paisaje ambiental
GEOTÉRMICA
Limpia y gratuita. Según la temperatura de la roca caliente
el uso es en calefaccion residencial o generacion de energía eléctrica mediante
turbogeneradores. La geotermica de baja temperatura
aprovecha la diferencia de temperaturas entre el subsuelo
y el ambiente proporcionado calefacción o refrigeración según
la estación del año. No son afectadas por las condiciones
metereológicas.
Inversión eleveda en la búsqueda de yacimientos y en la explotación (profundidad hasta 5 Km),la geotérmica de baja temperatura requiere una profundidad de 50-
100m
HIDRÁULICA Casi inagotable y ecológica Periodos de sequía y alto impacto ambiental de los
embalses.
OCEÁNICA Limpia y gratuita inversión elevada. Impacto visual y sobre la migración
de los peces.
SOLAR limpia y gratuitaIntermitente(Días Nublados). Tecnología de alto costo
para transformarla en energía eléctrica ENERGÍA DE FUSION
NUCLEAR utiliza agua, recurso abundante
barato y limpioesta en fase de estudio . En un futuro producción de
energía eléctrica en un hipotético reactor
PETRÓLEO CARBÓN Y GAS NATURAL
Combustion directa para producir calor y movimientos en
hornos, calderas y motores
Finitos (Se agotarán a medio plazo), Gases de efecto invernadero que permiten mantener la temperatura del planeta al retener parte de la energía proveniente
del sol. Pero en la actualidad, están provocando cambios pro el aumneto de la emisión de ciertos gases
como el dioxido de carbono y el metano debido a la industrializacion. Lluvia ácida que se forma cuando la
humedad en el aire se combina con el óxido de nitrógeno y el dióxido de azufre, emitidos por
industrias, centrales electricas y vehículos que queman productos derivados del petróleo. estos gaes aumnetan
la acidez de las aguas de ríos y lagos lo que se traduce en imporantes daños en la vida acuáticas y cambios en
la composición de los suelos(aumenta su acidez), produciéndose la perdida de nutrientes importantes
para las plantas tales ocmo el calcio.
CENTRALES NUCLEARES Energía continua emitiendo
mínimas cantidades de contaminanetes al aire
Generan residuos radioactivos muy peligrosos producidos en el proceso de fisión nuclear. Pueden
producir catástrofes ambientales.
FUENTES DE ENERGÍA
RENOVABLES
NO RENOVABLES
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2.1. Energía Eólica
La energía eólica es un campo de investigación interdisciplinario en crecimiento que cubre numerosas ramas de la ingeniería y la ciencia. De acuerdo con la Asociación Mundial de Energía Eólica (WWAE), la capacidad instalada a nivel mundial de aerogeneradores creció a una tasa promedio de 24.03% por año durante los años 2005-2014[7]. De acuerdo con el último informe de la WWEA (2014), la capacidad instalada de energía eólica alcanzó 369.553 MW de la cual China y EE.UU. contribuyeron alrededor de 114.763 MW y 65.879 MW a partir de 2014, respectivamente [2].
En la Figura 2-1 se muestra el crecimiento anual que la capacidad instalada de la energía eólica ha tenido por más de 10 años en China, EE.UU. y en general en el mundo, el aumento de tamaño de las turbinas eólicas y su aumento en la capacidad de generación en la última década, es uno de los indicadores que ayuda a este incremento.
Figura 2-1 Capacidad instala de energía eólica [12].
2.1.1. El viento
La tierra se encuentra envuelta en una capa gaseosa de espesor relativamente pequeña, que conocemos como atmosfera, es acá donde tiene su origen el viento, considerado como movimiento de las masas aire. Este movimiento se realiza en la troposfera, la cual es la zona interior de la atmosfera. Este desplazamiento que da origen al viento se ve afectado por factores climáticos como la rotación geoestacionaria de la tierra, la acción
19
sobre las masas de aire de las diferencias de presión atmosférica y la radiación solar[13] [14].
El viento, que es el recurso principal para la explotación de la energía eólica, está presente en toda masa de aire en movimiento desde áreas de altas presiones atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión, estas aparecen como resultado de las diferencias de temperatura de la superficie terrestre. La tierra toma parte del calor emitido por el sol y lo transforma en energía cinética. Esta energía mecánica que en forma de energía cinética es la encargada de transportar el aire en movimiento.
En las zonas costeras se lleva acabo el intercambio térmico más favorable para producir las corrientes de aire, durante el día los mares, océanos, lagos y otras masas de agua mantienen su temperatura relativamente constante en comparación con las mareas vecinas que se ubican en las masas continentales.
Las masas continentales adsorben menor cantidad de luz solar por la tanto el aire que se encuentra sobre la superficie se expande debido al calor y se vuelve más liviano, posteriormente, se eleva y el aire más frio y pesado proveniente de los mares, océanos y masa de agua se pone en movimiento para ocupar el espacio dejado por el aire caliente dando lugar al flujo de viento debido al intercambio térmico[14].
Los vientos debido a diferencias de temperatura más conocidos son las brisas marinas y los vientos de montaña y valle.
• Brisas marinas y brisas de tierra: El día facilita el calentamiento de la tierra más que el de las masas de agua dando originan a las diferencias de temperatura entre el mar y la tierra, generándose a partir del mediodía aproximadamente, una circulación de aire del mar hacia la tierra (brisas marinas o de mar). Durante la noche, la tierra se enfría más rápidamente que el mar invirtiéndose la corriente (brisas de tierra). La fuerza del viento resultante depende de la diferencia de temperatura entre ambos elementos, por lo que las brisas se muestran con más claridad en verano.
• Vientos de montaña y valle: Tienen el mismo principio que los dos tipos de brisas, siendo el resultado de la diferencia de temperatura entre las zonas altas de los montes y los valles. Dependen de las distribuciones de temperatura existentes y de la orografía de la zona[15].
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Figura 2-2. Brisas Marinas y Brisas terrestres Disponible en línea.
2.1.2. Velocidad del viento
A pesar que la velocidad del viento es considerada como una magnitud vectorial y por ende tiene tres componentes, para el caso del aprovechamiento del recurso eólico solo se consideran las componentes en el plano paralelo a la superficie terrestre. Se caracteriza por dos valores; su velocidad o intensidad del viento, registrada en el plano horizontal y la dirección de la cual proviene. La velocidad del viento es la que da su energía, se mide en metros por segundo (m/s), kilómetros por hora (km/h) o nudos.
Al originarse el viento en la troposfera, justo el lugar donde se desarrollan también gran cantidad de fenómenos meteorológicos, este puede sufrir variaciones debido a diferentes factores, estas variaciones también afectan la velocidad del viento y las más destacadas son:
• Variaciones estacionales: Provocadas por radiación solar y borrascas, estos cambios en algunas ocasiones pueden detectarse en función de las estaciones del año.
• Variaciones Diarias: Estas fluctuaciones en la velocidad del viento están relacionadas con el origen de las brisas marinas y brisas terrestres, condiciones geográficas y orográficas y efectos de los calentamientos y enfriamientos en el día y en la noche producen cambio diarios en la velocidad del viento.
• Variaciones en cortos periodos de tiempo: más conocidas como ráfagas, caracterizadas por cambios bruscos en su velocidad y dirección [11] [16].
21
2.1.3. Medición de las magnitudes del viento La velocidad del viento se mide con un anemómetro, con este se puede calcular algunas o todas las componentes del vector velocidad del viento, para el registro de velocidad del viento de la mejor manera posible se debe instalar el anemómetro al menos a 10 m de altura para que sobre la medición no vaya a influir elementos en el suelo, los valores instantáneos se promedian cada diez minutos. Los anemómetros se dividen según su tipo de operación en:
• Medios Mecánicos: Como lo son los anemómetros de rotación • Enfriamiento de hilo caliente. • Diferencia de presión: anemómetro de tubo de pitot • Ultrasonido, laser o efecto doppler
Los anemómetros más populares son los de tipo mecánico, siendo los tipos hélice o los de cazoletas (o coperolas) los más conocidos. Los llamados de cazoletas tienes 3 o 4 estructuras cónicas o semiesféricas distribuidas simétricamente sobre un eje vertical en el cual giran gracias a la fuerza ejercida por el viento, la cual es mayor en la cara cóncava que en la convexa, la salida de un anemómetro de este tipo es el giro de la cazoleta, gira a razón de 30 a 60 rpm/(ms-1), la velocidad de giro es proporcional a la velocidad del viento y son prácticos a la hora de medir la componente horizontal del viento. Los anemómetros de tipo hélice son utilizados cuando se desea determinar la velocidad del viento en una dirección en especial, se implementa junto con una veleta que da la dirección dependiendo hacia donde está golpeando el viento, giran a razón de 180 a 210 rpm/ (ms-
1).
Los anemómetros en general cuentan con un mecanismo transductor que convierte la velocidad del viento en una señal eléctrica o mecánica para ser registrada [13].
2.1.4. Vientos en Colombia
Colombia debido a su posición geográfica sobre la línea ecuatorial donde se hallan los vientos de baja presión, los cuales se encuentran bajo la influencia de los vientos alisos, estos vientos cubren casi todos los latitudes subtropicales de alta presión e incluida los ecuatoriales.
Durante el solsticio de verano en el hemisferio sur de la tierra (entre diciembre y enero) las corrientes de aire y presión se desplazan hacia el hemisferio sur, como resultado de esto la región Andina del país, los llanos orientales y parte de la región Caribe se ven influenciados por los vientos alisos provenientes del hemisferio norte de la tierra los cuales penetran gran parte del país sin llegar a la línea ecuatorial durante los meses de diciembre a marzo. Los vientos alisos del sur prevalecen en los llanos orientales y la cordillera oriental durante los meses posteriores hasta septiembre, de igual forma existen
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zonas del país las cuales se ven afectadas por ambos sistemas de viento dependiendo de la estación del año en la cual se encuentre.
Debido a las características geográficas del país el sistema de cordilleras colombianas tienen una gran influencia sobre las condiciones climáticas del país, gracias a la absorción y emisión de la radicación solar lo cual lo cual se comporta como sumidero y fuentes térmicas que dan lugar a la generación de los flujos de corrientes de aire debido al intercambio térmico generando así su propio patrón atmosférico.
Como consecuencia de sus cualidades geográficas las zonas de la región andina presentan vientos de baja velocidad los cuales presentan variaciones, particularmente durante el día sin importar el mes del año, en cambio los vientos presentes los valles-montañas tienen un comportamiento más activo [17].
En Colombia el potencial eólico está consignado en un atlas de viento publicado por el ministerio de minas y energía y por el IDEAM, este es un compilado de mapas donde se muestra la distribución espacial del viento y promedio mensuales y anuales, brindando así información respecto a viabilidad de explotación eólica especialmente en lugares donde el suministro energético no es asequible.
Dentro de los datos registrados se destacan las mediciones realizadas en zonas con mayor potencial eólico, 16 sitios puntuales que según los resultados, existen niveles de velocidad del viento que podrían llegar a ser importantes [18]
Gaerazamba - Bolívar: se registraron vientos que superan los 5 m/s en las horas de la tarde durante todo el año, los primeros tres meses la velocidad del viento llego hasta 8 m/s en las mismas horas del día.
Gachaneca - Boyacá: En campo se registraron velocidades superiores a los 5 m/s durante todo el día y promedios diarios hasta de 7 m/s.
Aeropuerto Sesquicentenario-Isla de San Andrés: gracias a su ubicación en el caribe , el flujo del este y los vientos alisios influyen sobre esta zona durante todo el año, mostrando como resultado un promedio constantes de 5 m/s, que aumenta en julio hasta 7 m/s.
La Legiosa - Huila: intensidades cercanas a los 5 m/s mostrando una mayor intensidad en las horas de la tarde.
Aeropuerto el embrujo – Isla de providencia: el Noroeste es la dirección predominante en este punto, en septiembre y octubre el viento pierde intensidad respecto a los 5 m/s predominantes durante todo el año.
Aeropuerto Almirante Padilla – Guajira: Intensidades superiores a los 5 m/s, el primer semestre del año se registran velocidades que llegan hasta los 7 m/s.
Obonuco – Nariño: En los meses de julio y septiembre se llega a vientos de 5 m/s.
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Aeropuerto Camilo Daza – Norte de Santander: Durante el día se registraron velocidades superiores a los 5m/s, entre junio y septiembre se alcanzan intensidades superiores inclusos a los 7 m/s.
Urrao – Antioquia: En el rango comprendido entre 12m y 3pm los vientos llegan a velocidades cercanas a 5 m/s.
Aeropuerto Ernesto Cortissoz – Atlántico: intensidades entre los 5m/s y los 8 m/s presentes entre el medio día y la madrugada, esta tendencia está marcada entre los primeros meses del año.
Aeropuerto Simón Bolívar – Magdalena: intensidades superiores a 5 m/s, alcanzando valores medios de 8 m/s.
Aeropuerto Palo negro – Santander: vientos promedio entre 5 m/s a lo largo de las 12 y 5 de la tarde.
Anchique – Tolima: en esta zona predominan los vientos débiles cercanos a 5 m/s.
Abrego Centro administrativo – Norte de Santander: Intensidades cercanas a los 5 m/s desde el mediodía hasta las 5pm.
Aeropuerto Internacional El Dorado – Bogotá: prevalecen los vientos débiles el viento llega a intensidades cercanas a los 5 m/s en meses como enero y a mediados del año.
A continuación se muestra una tabla donde se resume la información de la evaluación del potencial eólico Colombiano consignado en los mapas de viento [18].
ID LONGITUD LATITUD ESTACIÓN DEPARTAMENTO VELOCIDAD PROMEDIO DEL VIENTO
1 75°16'W 10°47'N Galerazamba Bolívar 5,9 2 73°33'W 05°26'N Gachaneca Boyacá 5,5 3 81°43'W 12°35'N Aeropuerto
Sesquicentenario Isla de San Andrés 5,1
4 74°44'W 03°20'N La Legiosa Huila 4,1 5 81°21'W 13°22'N Aeropuerto El embrujo Isla de Providencia 4 6 72°56'W 11°32'N Aeropuerto Almirante
Padilla La Guajira 4
7 73°30'W 05°32'N Villa Carmen Boyacá 3,9 8 77°18'W 01°11'N Obonuco Nariño 3,5 9 72°31'W 07°56'N Aeropuerto Camilo Daza Norte de
Santander 3,3
10 76°07'W 06°20'N Urrao Antioquia 3 11 74°36'W 10°53'N Aeropuerto Ernesto
Cortissoz Atlántico 2,9
24
12 74°14'W 11°08'N Aeropuerto Simón Bolívar Magdalena 2,9 13 73°11'W 07°08'N Aeropuerto Palo negro Santander 2,8 14 75°08'W 03°35'N Anchique Tolima 2,7 15 73°14'W 08°05'N Ábrego Centro
administrativo Norte de
Santander 2,5
16 74°09'W 04°43'N Aeropuerto El Dorado Cundinamarca 2,2 Tabla 2-2. Estaciones de medición de potencial eólico en Colombia.
A pesar de que los datos registrados tras las mediciones para la construcción del atlas de viento de Colombia, pueden ser considerados como vientos con poco potencial, estos vientos podrían llegar a ser suficientes para la implementación de aerogeneradores de pequeña potencia, que podrían llegar a trabajar en sistemas híbridos para dar solución a la prestación del servicio de energía eléctrica en zonas aisladas donde por diversos factores se dificulta el suministro energético.
Las zonas no interconectadas en Colombia presentan una gran incertidumbre en términos de demanda y consumo, además, en el caso de los sistemas compuestos con energías renovables no se cuenta con una disponibilidad permanente, por esta razón la energía eléctrica obtenida debe utilizarse inmediatamente, de manera que la no consumida sea almacenada en baterías que permitan disponer de ésta cuando no es utilizada inmediatamente, el proceso de almacenamiento convierte a los sistemas híbridos en solución para los problemas característicos de estas zonas, permitiendo el aprovechamiento de la energía cuando la demanda supera el aporte de las fuentes alternativas [9].
25
3. TURBINAS EOLICAS
Las turbinas eólicas son equipos capaces de convertir la energía presente en el viento, de energía mecánica rotatoria a energía eléctrica[19]. En este capítulo se realiza el análisis de las tecnologías existentes en turbinas y aerogeneradores, se realiza una evaluación de las ventajas y desventajas de algunos modelos expuestos, con el fin de conocer las tendencias del mercado y escoger el modelo más acorde para realizar el diseño del emulador.
Este tipo de tecnología ha tenido un importante desarrollo durante los últimos 15 años, desde la turbina de los años 70s hasta la de la década de 2000, en la cual se implementó electrónica de potencia (convertidores AC-DC)[5], [8], [20], en la Figura 3-1 se puede ver la disposición de los convertidores AC-DC implementados en la generación de energía a partir de energía eólica, al igual que la implementación de controles aerodinámicos y diseños de control mecánicos.
En [21] se utiliza un arreglo AC-DC-AC para reducir el impacto que tiene la intermitencia en la generación de energía a partir de esta fuente. Mediante la utilización de este tipo de convertidores se trasforma la energía AC en DC para posterior mente inyectarla a la red a un frecuencia específica y con un nivel de tensión asignado para no afectar y desestabilizar el sistema eléctrico de potencia.
Figura 3-1. Turbina eólica con convertidor AC-DC.
3.1. Tipos de turbinas eólicas
Las turbinas eólicas se dividen en dos grandes grupos: Las turbinas de eje horizontal (HAWT) y turbinas de eje vertical (VAWT).
En la Figura 3-2 se muestra una HAWT sin mecanismo de direccionamiento, esta es una topología clásica para los parques eólicos de generación de energía eléctrica en Colombia, en los cuales son utilizadas turbinas de tres aspas. Para el aerogenerador de la figura, se realizó un estudio en el que se utilizaron sensores inalámbricos y acelerómetros para registrar el comportamiento y el buen funcionamiento del mismo, este proceso es descrito en [3].
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Figura 3-2. Turbina de eje horizontal [3].
El otro tipo de turbina es la VAWT, en la Figura 3-3 se pude observar las aspas de una turbina de eje vertical tipo SAVONIUS, estas aspas van sobre puestas sobre un generador, el cual es movido lateralmente por el viento. Una característica primordial de estas turbinas es que en ningún caso requieren de algún tipo de elemento de direccionamiento para captar la mayor incidencia del aire[22], [23].
Figura 3-3.Hélices de una turbina tipo Savonius [24].
27
3.1.1. Turbinas de eje vertical
La principal característica de una VAWT es que debido a su construcción, no necesita ser orientado hacia el viento, por otro lado los mecanismos de transición de potencia (caja de engranajes) y su generador son montados a nivel del suelo para facilitar el acceso cuando se presente alguna contingencia y/o mantenimiento[14], [22], [23].
Sin embargo, debido a la estructura y construcción de las VAWT, es necesario implementar un sistema de arranque, ya que no posee un mecanismo de auto arranque y es necesario proporcionarle el impulso inicial para iniciar la generación de energía. Actualmente, las turbinas de tipo VAWT generalmente giran automáticamente (con ayuda de un motor auxiliar) hasta que alcanzan la relación entre la velocidad de la cuchilla y la velocidad del viento (Relación de Velocidad de la punta o TSR), que produce un par lo suficientemente grande para para hacer que el trabajo haya sido útil [22].
No es muy común el uso de las turbinas (o aerogeneradores) de eje vertical debido a una gran cantidad de inconvenientes de índole técnico y económico, estos pueden ser en su mayoría de dos tipos:
• Arrastre diferencial • Rotor de variación cíclica de incidencia
Los aerogeneradores verticales de arrastre diferencial, tienen el mismo principio de funcionamiento de un anemómetro de cazoletas (coperolas), aprovechan la diferencia de la fuerza del viento entre una superficie cóncava y una convexa, una de las turbinas de este tipo más populares es la tipo Savonius. El aerogenerador de tipo rotor de variación cíclica de incidencia más popular es el tipo Darrieus [13].
Al igual que a las turbinas de tipo HAWT se tienen diferentes modelos los cuales utilizan desde dos palas en adelante para la generación eléctrica. Para las turbinas de tipo Savonius se tienen cuchillas dispuestas en forma de “S” viéndolas desde un perfil superior. En la Figura 3-3 se puede observar este tipo de turbinas de dos palas, las de tres palas se enseñan en la Figura 3-4 [14].
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Figura 3-4.Generador Savonius de 3 palas. Tomado de [14].
Para el caso de la instalación de turbinas VAWT en alta mar estas turbinas tienen una importante ventaja con respecto a las HAWT debido a su construcción en la cual no necesita un mecanismo de direccionamiento, debido a su centro de gravedad, a su fácil montaje, su fácil mantenimiento. Adicionalmente, presentan un mayor potencial de generación de energía a gran escala, sin embargo, este tipo de tecnología no ha recibido la atención que merece [25].
Basándose en el reporte hecho por la WWEA asociación mundial de energía eólica en el año 2013, el 74% de los fabricantes de pequeñas turbinas eólicas adoptó la tecnología de HAWT, tan solo el 18% tecnología VAWT y el 6% ambas [26]. En la India el NIWE (Instituto Nacional de la Energía Eólica) realizó pruebas a nueve modelos de turbinas eólicas, de las cuales tres modelos están bajo etapa de prueba en WTRS (Estación de Investigación de la turbina de viento), Kayathar. Estos modelos fueron proporcionados por 9 fabricantes diferentes, y sólo uno está ofreciendo VAWT [27].
Esto deja en evidencia que esta tecnología es un campo muy poco explorado por los fabricantes y diseñadores de este tipo de turbinas lo cual reduce la promoción de este tipo de tecnología, sin embargo, la turbina de eje vertical de pala recta está ganando más atención debido a su diseño simple, alta eficiencia, bajo costo y por ser una gran alternativa para la generación de energía a pequeña escala [27].
3.1.2. Turbinas de eje horizontal
Los aerogeneradores de eje horizontal (HAWT) cuentan en su mayoría con un número pequeño de palas, de una a tres palas, siendo el modelo de tres palas el más popular y el más comúnmente utilizado. Este tipo de generadores son capaces de competir con las plantas de generación a base de combustibles fósiles en el precio si son ubicadas en zonas favorables. Sin embargo, con mejor tecnología, es posible reducir más el costo
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normalizado de la energía y dar a las centrales de energía eólica una mejor ventaja competitiva [28].
Las turbinas eólicas de este tipo tienen una gran variedad de potencias, lo que la hace una turbina ideal para diversas aplicaciones, esta es una de las razones por las cuales en este documento se recreará el funcionamiento de este tipo de aerogenerador.
Los HAWT se caracterizan por tener sus mecanismo de generación a gran altura, sin embargo, esto puede llegar a ser una gran desventaja al momento de realizar trabajos de reparación y/o mantenimiento, por otro lado algunos de estos modelos de aerogeneradores cuentan con una unidad de posicionamiento el cual direcciona las palas hacia el punto de mayor incidencia con el viento [22].
Como la generación de energía eléctrica a partir de este tipo de fuentes está relacionada con el área abarcada por el recorrido de las aspas para generar más potencia, es necesario un diámetro mayor. Por otro la lado, las palas experimentan grandes fuerzas de empuje y par, por lo cual la generación de energía eléctrica se ve limitada por la resistencia de las cuchillas [22].
En la Figura 3-5 se puede observar en detalle la estructura de un aerogenerador de eje horizontal, donde también se puede observar algunos de sus componentes y partes más importantes:
1. Base y cimientos 2. Punto de conexión a la estación transformadora 3. Torre de sustentación 4. Escalera inferior para acceso a la góndola 5. Sistema de orientación del rotor hacia el viento 6. Góndola 7. Generador eléctrico 8. Anemómetro y veleta 9. Freno para fijación del rotor 10. Caja multiplicadora 11. Pala o alabe del rotor 12. Punto de inserción de la pala en el buje 13. Buje del aerogenerador
30
Figura 3-5.Vista lateral de un aerogenerador de eje horizontal. Tomada de [13].
Las turbinas de eje horizontal presentan un buen número de ventajas sobre las turbinas de eje vertical, las VAWT por ahora no tienen muchos modelos que sean comercializados. Dentro de las ventajas, por las cuales se decide crear emuladores de turbinas eólicas de eje horizontal se destacan[13]:
• Las turbinas HAWT poseen características de velocidad y par propicias para impulsar un generador (síncrono o asíncrono), el total de producción eléctrica eólica mundial se hace actualmente solo con turbinas de eje horizontal, tripala en la mayoría de los casos.
• Los aerogeneradores HAWT cubren una mayor superficie que las VAWT por lo que generan potencias mucho mayores.
• A mayor altura, la velocidad del viento es mayor también, las turbinas eólicas de eje horizontal aprovechan esto gracias a las grandes alturas que alcanzan del suelo.
• La potencia de los generadores eólicos HAWT ha crecido anualmente, en 1997 la potencia media unitaria de estos generadores era de 409 kW, ya para el 2009 fue de 1854 kW [13].
31
3.1.2.1. Turbinas de velocidad variable
En este tipo de turbinas se realiza una regulación de par y potencia de salida, lo cual se basa en distintas condiciones de velocidad del viento. El control de par se realiza por lo general en la región de la velocidad del viento baja. El método de regulación de potencia de salida se consigue a través del control de paso de pala como el empleado en [25], que se ha utilizado predominantemente en los últimos años. La técnica de control de paso es muy útil para entregar y modificar el ángulo de las palas de acuerdo a distintas condiciones de velocidad del viento y ajustar el sistema de control dentro de las especificaciones de diseño de la turbina [12].
Actualmente, a la turbina real se le han desarrollado y probado un conjunto de métodos como el sistema de conversión de turbina de viento de velocidad variable (VSWT) el cual se está incrementado en el mercado comercial, ya que tiene algunas ventajas más que la generación a partir de la turbina convencional (velocidad constante) [12].
Se ha demostrado que VSWT es lo suficientemente eficiente para generar 10% más de potencia al año que la turbina eólica de velocidad constante (CSWT). Se investigó que el comportamiento de VSWT depende de la eficiencia de la estrategia de control utilizado en [3]. El diagrama de la estrategia de control VSWT moderno se muestra en la Figura 3-6 [12].
Figura 3-6.estrategia de control actual de turbina de velocidad variable [12].
3.2. Emuladores de turbinas eólicas
Un emulador de turbina eólica (WTE) es un importante equipo para el desarrollo de los sistemas de conversión de energía eólica, el objetivo de estos emuladores es reproducir el comportamiento estático y dinámico en un entorno controlado de las turbinas eólicas sin la necesidad de depender de la existencia de la turbina real o el recurso real del viento[8].
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Los emuladores eólicos están basados en el sistema de conversión de la Figura 3-7, en él se puede ver el modelo de una turbina eólica, en la cual el viento proporciona la energía cinética a las aspas del generador que está conectado a una caja de engranajes, en algunos casos. Al momento de implementar el emulador eólico la caja de engranajes puede llegar a ser obviada, al usar un generador de imanes permanentes [29] y esta a su vez proporciona el par mecánico al generador eléctrico[30].
Figura 3-7. Sistema de una turbina eólica [8].
Los actuales sistemas de conversión de energía eólica (WECS) tienen una estructura compuesta por una turbina eólica impulsada por la fuerza del viento, ésta se acopla a una caja de engranajes y luego se acopla al generador eléctrico [19], [30]. Los emuladores eólicos en su mayoría reemplazan la velocidad del viento por un perfil de viento ingresado a un computador, y la turbina por un motor, dividiendo así el sistema en una parte mecánica (acople generador motor) y una parte de software, donde se encontrará la interface y un sistema que regule la velocidad del motor.
3.2.1. Parte electromecánica
En la mayoría de los sistemas de emulación estudiados recurren a un motor DC para hacer las veces de turbina, la velocidad de este, es en ocasiones regulada a través del control de la corriente de entrada. En el esquema de control del motor es una de sus variables de entrada, así como la velocidad del viento y dependiendo del esquema de control utilizado será o no realimentada con el fin de obtener mayor exactitud en la velocidad de salida y par del motor[31].
El generador es el encargado de convertir esa energía mecánica dada por la turbina, en el caso del emulador, por el motor a energía eléctrica. La literatura consultada muestra que para los procesos de emuladores eólicos se utiliza un generador de inducción o de imanes permanentes [32], [33]. La selección de dicho generador y de sus características de fábrica dependerá del tipo de turbina que se desea emular, por ejemplo cuando el generador eléctrico es una máquina de inducción o imanes permanentes y la turbina a emular es de baja velocidad es necesario un generador con alto número de polos o sub utilizar el motor, es decir, no llevarlo por encima de las revoluciones por minuto nominales del generador.
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3.2.2. Parte de control
En esta parte de los emuladores estudiados, el software permite la recopilación de los parámetros característicos del modelo matemático del Aerogenerador, para ser simulado a partir de diferentes tipos de software y obtener como resultado un valor de potencia de salida teniendo en cuenta la velocidad del viento registrada en los perfiles de viento, la curva de potencia máxima del generador, el modelo de turbina, y cualquier variable que repercuta en la potencia de salida[31].
Para los emuladores eólicos el control desempeña un papel esencial. Debido a que, por una parte, el énfasis en los métodos de control puede disminuir el costo de energía manteniendo la turbina cerca a su punto de máxima potencia. Por otro lado, pueden reducir el desgaste estructural y por lo tanto reducir los costos de operación y mantenimiento, así como aumentar la vida útil. Hay varios métodos de control, que van desde los métodos clásicos de control, los cuales son los más utilizados en aplicaciones reales [28].
Dependiendo de la estructura electromecánica que se tenga, se pueden plantear diferentes estrategias de control para el desarrollo de los emuladores eólicos. En [31] se plantea un emulador eólico a partir de un arreglo electromecánico entre un motor DC y un dinamómetro DC, a partir de este arreglo se plantea una estrategia de control mediante el programa de simulación LabView, donde los parámetros mecánicos fueron simulados con el fin de calcular una potencia de salida objetivo para el emulador y donde la velocidad del eje motor-generador realimentan el sistema de control para regular su comportamiento.
Sin embargo, los equipos seleccionados para hacer parte electromecánica del sistema pueden variar según sea el caso. En [30] es utilizado un motor de inducción como turbina y para poder tener un control sobre el motor se incorpora un inversor de par escalar, además utilizan una estrategia de control en lazo cerrado a diferencia de [31] en el cual no es necesaria esta estrategia de control y es implementado un control en lazo abierto.
34
35
4. DISEÑO DEL EMULADOR
Buscando realizar la representación mecánica del comportamiento del viento, y su interacción con un aerogenerador, en el siguiente capítulo se realiza la selección de los equipos idóneos para realizar esta tarea, los cuales reproduzcan fielmente el comportamiento real de un aerogenerador comercial de eje horizontal. Se definen también las razones principales de porque fueron estos escogidos.
El estudio previo de las características de las diferentes turbinas de viento existentes en el mercado, y el análisis realizado a los diferentes modelos de emuladores de turbinas eólicas que se mencionaron anteriormente, dieron bases suficientes para el diseño de un emulador construido en la Universidad Distrital, y que permitiera la reproducción de perfiles de viento para analizar el comportamiento de turbinas eólicas o aerogeneradores que actualmente se usan para la generación de energía eléctrica.
Existen diferentes tipos de configuración para generar energía eléctrica a partir de aerogeneradores. En la mayoría de las turbinas estudiadas la generación se hace con una tensión de naturaleza AC trifásica, con tensiones inferiores a los 1000V. Las tecnologías utilizadas en la producción energética a partir de energía eólica son:
• Generador asíncrono • Generador síncrono
Cuando se utilizan generadores asíncronos pueden usarse dos tipos, asíncrono con rotor en jaula de ardilla y con rotor bobinado doblemente alimentado.
Los generadores síncronos de imanes permanentes y los de inducción o asíncronos con rotor doblemente alimentado se utilizan con rotores eólicos que trabajan con velocidades variables, mientras que los de inducción con rotor de jaula de ardilla es común verlos en aplicaciones que cuentan con rotores eólicos a velocidad constante.
En la Figura 4-1 se puede ver el proceso de conversión del sistema de una turbina eólica convencional y algunos de sus componentes, donde se aprovecha la velocidad el viento para hacer mover un generador.
Figura 4-1.Estructura de una turbina eólica. [34]
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Para el diseño del emulador eólico expuesto en este documento se escogió un motor de inducción para que haga las veces de turbina eólica, un generador de imanes permanentes con un encoder y un variador de frecuencia de 3 HP para controlar la velocidad de giro del motor. Los datos se ingresan mediante un programa desarrollado en LabView, y la comunicación entre la parte mecánica y el software se hace mediante una tarjeta de adquisición de datos de National instruments (NI USB-6008, 12 Bits), tal como se puede ver en la Figura 4-2.
4.1 Implementación del Hardware y componentes
4.1.1 Motor de inducción
Tal como se explicó anteriormente, el motor de inducción hará las veces de turbina eólica, el tendrá que actuar tal como lo haría un aerogenerador que cambia de velocidad constantemente cuando aumenta o disminuye la velocidad del viento. El motor escogido fue un motor de inducción trifásico jaula de ardilla de la marca WEG, a continuación se muestra una tabla donde se registran las principales características de dicho motor.
Figura 4-2 .Disposición de equipos del emulador de turbina eólica.
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Motor WEG W22 Fases 3
Potencia [kW] 1.5 carcaza 90S
Voltaje [V] 220/440 Amperios [A] 6A- 3A
Rpm 1750 Frecuencia [Hz] 60
SF 1,15 P.F 0,78
T Ambiente [°C] 40 AH 1000
Tabla 4-1.Características Motor WEG W22.
El campo de inducción en este tipo de máquinas se origina gracias a las corrientes que circulan por los devanados que están distribuidos por las ranuras existentes en el estator. Estos devanados están interconectados formando tres grupos de bobinas, que tienen seis terminables accesibles desde una caja de bornes, correspondientes a los extremos de las tres fases del estator [35]. En estas terminales se pueden realizar conexiones en estrella Y ó triangulo Δ tal como se muestra en la Figura 4-3. Mientras que en el devanado del rotor, en el caso de las máquinas de inducción tipo jaula de ardilla, los conductores por los que circulan las corrientes inducidas, están constituidas generalmente por barras de aluminio y tienen sus extremos cortocircuitados por dos anillos del mismo material de las barras.
Figura 4-3. Caja de bornes de máquina jaula de ardilla, conexión estrella y triangulo respectivamente [36].
La conexión escogida para el motor WEG utilizado en el emulador, fue una conexión tipo estrella, configuración que quedó determinada luego de varias pruebas previas.
38
4.1.2 Generador sincrónico.
Como en todos los sistemas tradicionales de generación, incluyendo los sistemas eólicos (La alta velocidad de rotación que se obtiene del sistema de transmisión se conecta al generador que produce electricidad a partir del movimiento), el emulador debe contar con un generador que convierta la energía mecánica en energía eléctrica.
Las turbinas de gran potencia y de gran tamaño usan generadores asíncronos doblemente alimentados, cuando estos son empleados, la velocidad de rotación es variable, caso contrario a cuando se usan generadores asíncronos, otra de las opciones consiste en usar generadores síncronos.
En un principio se había diseñado el emulador con otro motor de inducción igual al explicado anteriormente, para hacer las veces de generador, ya que si una máquina de inducción conectada a un sistema de alimentación trifásico está funcionando como motor y se le hace girar al rotor por encima de la velocidad de sincronismo, se dice entonces que dicha máquina puede transferir al sistema de alimentación cierto valor de potencia activa, funcionando de esta manera como un generador. Conectando su estator a unos condensadores en vez de la red eléctrica y girando el rotor con ayuda de una maquina motriz puede llegar a ser una fuente de corriente alterna trifásica [35].
Debido a problemas como la variación de la capacidad y la estabilización de la carga, se optó por una opción mejor, más no más económica, la utilización de un generador de imanes permanentes (PMG), el cual permitiría que el emulador estuviera aún más relacionado con las turbinas eólicas con las que se podría relacionar, gracias a que esta tecnología es usada ampliamente en la generación eólica.
Un generador de imanes permanentes es un generador síncrono, cuyo bobinado de excitación es sustituido por un sistema conformado por imanes permanentes que suministran un campo constante de excitación. Este tipo de generadores tienen como gran ventaja la eliminación de las escobillas y los sistemas reductores, lo que se traduce en ahorro en mantenimiento y espacio.
El generador implementado en el prototipo aquí expuesto, logró entregar con la carga apropiada y la ayuda de una maquina motriz, aproximadamente 800 W, en el periodo de pruebas. Se estima que a 3600 rpm podría llegar a 1 kW, esta sería entonces una de las limitantes más importantes del proyecto, ya que se reduce la gama de turbinas que podrían llegar a representarse mediante el emulador aquí desarrollado.
El generador con el que se trabajó este proyecto trae además un encoder incremental, una herramienta bastante importante a la hora de monitorear el trabajo no solo de este sino de todo el grupo motor-generador. El encoder transforma un movimiento angular en una serie de impulsos digitales, estos impulsos son fundamentales a la hora de programar la interfaz, pues será el dato de referencia y de entrada para el resto del programa.
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4.1.3 Variador de velocidad.
El variador de frecuencia es uno de los elementos principales del diseño desarrollado aquí. Es el encargado del control de velocidad del motor, velocidad que debe cambiar tal como cambia la velocidad del viento dependiendo las condiciones del clima o del lugar de estudio. El variador de velocidad que se contempló para el diseño del emulador fue el CFW 500 de la marca WEG, que permite ejercer sobre el motor no solo control de velocidad, sino también de torque. Ofrece además una opción de control vectorial o escalar. Igualmente el convertidor de frecuencia posee funciones para programación similares a las de un PLC (controlador lógico programable), que se pueden programar mediante un software llamado SoftPLC.
El CFW 500 fue seleccionado no solo por las características mencionadas anteriormente, este variador cuenta con un módulo de expansión de entradas y salidas analógicas y digitales, además de contar con un puerto USB, para cumplir funciones de monitoreo y control mediante el software SuperDrive G2. Los componentes más relevantes que componen el variador de velocidad se pueden ver en el diagrama de bloques de la Figura 4-4 y sus partes se ven en la Figura 4-5.
Figura 4-4. Diagrama de bloques del variador de velocidad [37].
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Figura 4-5. Partes principales del variador de velocidad.
1. Soporte de fijación para montaje en superficie 2. Soporte de fijación para montaje en riel 3. Ventilador 4. Modulo plug-in 5. HIMI 6. Tapa frontal
En las primeras etapas de diseño se contempló la idea de hacer netamente el control del grupo motor-generador mediante el variador de frecuencia, utilizando su programación de rampas de velocidad, pero el limitado número de velocidades que se podían configurar llevó a explorar nuevas opciones. El uso de las funciones tipo PLC fue otra opción que se examinó, pero problemas al cargar los diagramas de programación, en lenguaje ladder, estanco este proceso.
Finalmente el diseño del emulador incluyo el uso del variador por medio del módulo de expansión USB, se estableció que se crearía un programa que controlará la frecuencia del CFW 500 tal como se haría con un potenciómetro conectado a una de sus entradas analógicas, dicho programa estaría directamente relacionado con la interfaz del usuario final del emulador.
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4.1.4 Caracterización del emulador (Motor - Generador)
Teniendo ya los componentes electromecánicos que constituyen el emulador, se debe verificar su comportamiento cuando están en marcha, con el objetivo de encontrar los parámetros que permitan entablar relaciones directas con el funcionamiento de turbinas eólicas y aerogeneradores.
Para caracterizar el grupo motor generador, se debe controlar la velocidad de giro del motor por medio del variador de velocidad CFW500, conectándolo con sus respectivas protecciones tal como se presenta en la Figura 4-6. Se configura el variador en local, de tal manera que se pueda modificar la velocidad de giro del motor, cambiando la frecuencia en pequeñas proporciones desde la pantalla del variador.
En un motor asíncrono la marcha en vacío es una marcha llamada industrial, en la que la potencia útil es cero. Por lo tanto es una marcha en la que el estator del motor se alimenta a la tensión y la frecuencia asignada y no se conecta ninguna carga mecánica al eje [36]. En esta situación el par que proporciona la maquina prácticamente es nulo, debido a que solo debe vencer los rozamientos mecánicos presentes en la construcción de la máquina. Al acoplar el generador, ocurre lo mismo cuando a éste no se le conecta una carga eléctrica, por lo que se hace necesario tener una carga al final del generador para lograr tener datos de potencia y relacionarlos con las turbinas a emular.
Figura 4-6. Conexión del variador [37].
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Para lograr obtener mediciones de potencia se debe incluir una carga trifásica balanceada capaz de soportar la corriente y tensión resultante al impulsar el generador de imanes permanentes a una velocidad como la nominal del motor de inducción.
El proceso debe incluir un tacómetro para medir la velocidad del motor en revoluciones por minuto y elementos de medición pertinentes para lograr medir la potencia de salida en el generador, La carga escogida fue una de 10 dado que fue la que más corriente logra soportar durante un tiempo más prolongado de trabajo (5,7 A, Imax= 8 A durante 15 minutos).
En el Anexo 1 se puede observar el resultado de la prueba donde la frecuencia de trabajo se cambió para cada toma de datos aumentando 0,5 Hz por muestra, partiendo desde la frecuencia inicial entregada por el variador de velocidad correspondiente a los 3Hz, hasta llegar a la máxima entregada por el variador en su configuración normal de 65 Hz. Se realizan mediciones de corriente y de tensión, con el fin de conocer la potencia de trabajo que alcanza el generador, pues esta depende específicamente de la frecuencia del sistema y de la velocidad a la cual gira el motor de inducción.
Los datos registrados en la prueba muestran el comportamiento del funcionamiento del emulador cuando trabaja alimentando una carga de 10 Ω, dichos resultados son graficados y mostrados en la Figura 4-7.
En el Anexo 1, se ve cuando el motor llega a una velocidad por encima de la nominal, justo cuando el variador llega también a la frecuencia máxima a la que puede operar, con estos datos el grupo generador entrega la máxima potencia a la que puede llegar, lo que permite conocer cuál es el rango de potencias de las turbinas que se podrán emular con este prototipo.
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Figura 4-7. Caracterización del grupo motor-Generador.
4.2 Turbina eólica escogida
Como se mencionó anteriormente una de las más grandes limitantes que tiene el emulador expuesto en este documento, es el tipo de generador con el que se implemente el prototipo, es gracias a la capacidad de entregar una mayor cantidad de potencia que el emulador podrá ser configurado para trabajar tal como lo haría turbinas de mayor potencia. El generador de imanes permanentes alcanza una potencia máxima de 800 W, por lo que el emulador podrá actuar como turbinas eólicas de esta potencia o menor.
En la actualidad existen una gran cantidad de fabricantes de aerogeneradores y pequeñas turbinas, comercializadas para uso doméstico, para pequeñas industrias y para proyectos agropecuarios. Una de las aplicaciones más implementadas con aerogeneradores son los sistemas híbridos, pues junto con los sistemas solares fotovoltaicos hacen una instalación de generación más fiable y garantiza el suministro de energía en casi cualquier condición climatológica.
Cada fabricante de turbinas eólicas y de aerogeneradores entrega al momento de la compra de estos equipos algunas características y recomendaciones para el uso, instalación y mantenimiento con el fin de obtener el máximo beneficio posible de ellas. Dentro de esta información se encuentran las curvas de potencia de la turbina. Por lo general estas son graficas o tablas que muestran cual es la potencia que puede generar una turbina o aerogenerador a una velocidad de viento especifica.
0
100
200
300
400
500
600
700
0 500 1000 1500 2000 2500
Pote
ncia
[W]
RPM
Comportamiento Emulador carga 10 Ohms[W]
P out [W]
44
Dentro de las turbinas que se estudiaron para elegir cual sería la más propicia para configurar el emulador se destacan las Air 30, Air 40, Wattnier 1kW, Bornay 600 y Eolos 600 W y 1000 W. Este último es un fabricante de sistemas híbridos argentino llamado Renovables del Sur, empresa interesada en comercializar sistemas eólicos y fotovoltaicos para suplir el suministro eléctrico en zonas aisladas de su país y de Suramérica.
La turbina elegida fue la Eolos 600 W cuya curva de potencia se ve en la Figura 4-8 y en la Tabla 4-3 se encuentran consignados los datos característicos de potencia de salida de esta turbina y la Figura 4-9.
Figura 4-8. Datos de potencia aerogenerador Eolos 600W.
Eolos 600 W POTENCIA
[W] VELOCIDAD DEL VIENTO
[m/s] 25 4 40 5 90 6
110 7 145 8 190 9 280 10 350 11 470 12 525 13 600 14 530 15
45
490 16
Tabla 4-2. Valores de la curva de potencia Aerogenerador Eolos 600W.
Figura 4-9. Curva de potencia de salida turbina Eolos 600W.
Esta turbina no fue seleccionada solamente por su curva de potencia, el generador de este aerogenerador es muy similar en su forma de construcción a la del generador utilizado para el emulador.
4.3 Relación frecuencia – velocidad del viento en función de la potencia.
Al tener ya los datos de potencia de la turbina escogida y los datos de comportamiento del emulador, consignados en la Anexo 1, la idea fundamental fue encontrar en que puntos del funcionamiento del emulador y del comportamiento de la turbina se asemejaban en función de la potencia. Dicha relación se muestra en la Tabla 4-4.
Relación emulador - Turbina POTENCIA
[W] VELOCIDAD DEL VIENTO [m/s] RMP emulador FRECUENCIA [Hz]
25 4 341 12 40 5 439 15 90 6 673 23
110 7 722 25 145 8 840 29
0
100
200
300
400
500
600
700
3 5 7 9 11 13 15 17
Pote
ncia
de
salid
a [W
]
Velocidad del viento [m/s]
Curva de potencia Eolos 600W
46
190 9 982 33,5 280 10 1202 41 350 11 1361 46,5 470 12 1627 55,5 525 13 1730 59 600 14 1928 66 530 15 1730 59 490 16 1657 57
Tabla 4-3. Relación en términos de la potencia del comportamiento del emulador y de la turbina real.
Para encontrar la relación entre estos dos comportamientos, se fijó como variable común la potencia de salida. De manera manual se tomaron las tablas de ambos equipos, y se aproximó el valor de potencia de la turbina a determinada velocidad de viento con el entregado por el emulador a una frecuencia y una velocidad específica, construyendo la Tabla 4-4. Esta tabla tiene datos que permiten crear una relación directa entre el número de revoluciones por minuto a las que debe girar el motor, o el valor de la frecuencia que debe tener el del variador.
A través del método de regresión lineal tipo polinómica de orden 6 se obtuvo la gráfica de la turbina eólica que más se asemejara al comportamiento del emulador eólico diseñado.
Para realizar este proceso de regresión lineal se utilizó la herramienta matemática TABLE CURVE 2D, en ella se deben ingresar los datos a los cuales se les desea realizar el proceso matemático, tal como se muestra en la Figura 4-9, posteriormente, genera como resultado múltiples soluciones al mismo conjunto de datos entregando la ecuación característica de cada una de las ecuaciones y muestra la tendencia de comportamiento de los datos ingresados inicialmente; de este conjunto de soluciones se eligió la opción que expusiera el comportamiento de los datos de la forma más suavizada como se muestra en la Figura 4-10 y sin tantas fluctuaciones entre dato y dato contrario a lo observado en la Figura 4-11.
La ecuación obtenida a través del método matemático de regresión lineal fue ingresada en el programa del emulador eólico, implementado en la herramienta de programación Labview con el fin de obtener como dato de entrada la velocidad del viento ingresado manualmente o precargado como perfil de viento, para obtener un valor de potencia de salida deseado.
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Figura 4-10. Ingreso de datos al programa Table Curve 2D.
Figura 4-11. Posible solución suavizada a conjunto de datos.
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Figura 4-12. Posible solución a conjunto de datos.
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5 Implementación del software.
Con la parte electromecánica lista y funcionando, la siguiente parte del proyecto es el software, el cual, debe permitir a los usuarios ingresar un perfil de viento para ver cuál sería el comportamiento de la turbina seleccionada, trabajando bajo las condiciones atmosféricas descritas en dicho perfil.
El software elegido para desarrollar esta parte del proyecto acá expuesto, fue Labview (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench), de National Instruments, que maneja un entorno de programación gráfico y cuenta con facilidades para manejar comunicaciones mediante; USB, bluetooth, puerto serie, puerto paralelo, entre otros.
La posibilidad de efectuar un proceso de adquisición de datos mediante una tarjeta de National Instruments, también fue uno de los factores importantes que influyeron para determinar el crear la interfaz mediante este programa. Básicamente la adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir con un computador, un fenómeno eléctrico o físico como tensión, corriente, temperatura, presión, sonido o como en el caso del emulador eólico, velocidad y frecuencia. Un sistema DAQ consiste de sensores, hardware de medidas DAQ y un computador con software programable. El sensor del emulador es el encoder del generador, que mediante una señal cuadrada informa al sistema cual es la velocidad a la cual está operando el emulador.
A partir de este dato de entrada se inicia el proceso de esta señal, para permitir que al momento en el que el usuario ingrese un valor de velocidad del viento, el emulador opere a la velocidad que le permita entregar la potencia tal como la entregaría la turbina.
El encoder maneja una alimentación de 5V, ésta se toma desde una de las salidas del DAQ. La salida del encoder es llevada a una de las entradas análogas de la tarjeta de adquisición de datos. La señal entra al sistema y es tratada para trabajarla con el fin de hallar el valor numérico de la frecuencia del sistema. En la Figura 5-1 se muestra el bloque de programación del DAQ que recibe la señal del encoder integrado en el generador.
Figura 5-1.Bloque DAQ en LabView.
La señal que llega del encoder realmente no entra sola al DAQ. Junto a la señal cuadrada que brinda la información de velocidad llega también una señal de corriente, proporcionada por un sensor de efecto hall, y una señal de tensión entregada por un
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transformador. Estos elementos están ubicados a la salida el generador con el objetivo de medir la potencia que se está generando. Las tres señales llegan al programa y son desacopladas para su tratamiento, con la herramienta “tone mesure” se puede medir amplitud, frecuencia y fase de las señales recibidas por el DAQ, para los datos de corriente y tensión se tomó su amplitud y para la velocidad entregada por el encoder se tomó la frecuencia. El esquema en el que se arreglaron todas las señales de entrada se puede ver en la Figura 5-2, así como las operaciones matemáticas para considerar el valor rms de tensión, la relación de transformación del transformador conectado a la salida del generador y para hallar la potencia.
Figura 5-2.Entrada de las señales al software mediante el DAQ.
La señal cuadrada del encoder, analizada como frecuencia, es llevada a un cuadro de formula donde despejando la velocidad se puede saber el número exacto de revoluciones por minuto al que el sistema está girando.
La interfaz tiene como objetivo controlar el emulador según la velocidad del viento que el usuario desee asociar, por lo tanto, el poder ingresar velocidades de viento diferentes, en un lapso de tiempo, es fundamental para el programa. Esto se logra mediante una matriz vinculada a un ciclo case que define el tiempo de trabajo de la simulación del perfil de viento ingresado. De ahí sale una señal que es ingresada a un bloque PID, esta será el set point de dicho control, esta parte del programa se puede apreciar en la Figura 5-3.
En la Figura 5-3 también alcanza a apreciarse un nuevo bloque de fórmula, en este, se ingresó la formula obtenida en la regresión lineal explicada previamente, en el capítulo 4, este bloque es de suma importancia, pues es aquí donde el dato ingresado de velocidad de viento es convertido a un dato de frecuencia con el que el software trabajará para girar
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a la velocidad que permita obtener una salida de potencia similar a la de la turbina eólica previamente seleccionada y configurada.
Figura 5-3.Perfil de viento y fórmula matemática de la turbina en el software.
El programa también permite hacer un control manual de la velocidad del viento, pero en función de la frecuencia. Esto se hace mediante la opción true/ false que también se puede ver en el esquema de la Figura 5-3.
La siguiente parte del software trata de reunir las señales anteriormente descritas y unirlas dentro de un mismo proceso, para crear la planta, este proceso se realizó con otro bloque PID, cuyas constantes P, I y D fueron halladas mediante un método de sintonización de controladores PID que se encuentra dentro del LabView conocido como Ziegler-Nichols, este es un proceso de sintonización basado en una respuesta experimental. También se involucran la señal proveniente del encoder (en azul) y el perfil de viento es seleccionado como el set point general del sistema. En esta parte, además se determinan tiempos de muestreo y acoplan los valores de los límites de tensión con los cuales se van a trabajar para no tener problemas con la tarjeta de adquisición de datos (0 V- 5 V), este proceso puede verse en detalle en la Figura 5-4.
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Figura 5-4.Configuración de la planta en el software.
Ya para finalizar se agregó un reloj para contar el tiempo de muestreo de trabajo y se incorpora un nuevo bloque DAQ para exportar la señal de salida, que se reincorpora al sistema por medio de una señal análoga que va de 0 a 5 voltios.
Esta señal analógica resultante es llevada al variador de velocidad, para controlarlo por medio de una de sus entradas analógicas de 10 V. Cuando la señal se enviaba directamente del DAQ al variador este solo llegaba a una frecuencia de 30 Hz y por ende solo a la mitad de la potencia y velocidad del sistema. Para solucionar este problema se implementó un amplificador no inversor, para que llegaran los 10 voltios necesarios en la entrada del variador, con el fin de llegar a la máxima frecuencia que éste entrega (60 Hz). Este circuito es muy parecido al inversor, la diferencia es que la señal se introduce por el terminal no inversor, lo cual va a significar que la señal de salida estará en fase con la señal de entrada y amplificada. El montaje se presenta en la Figura 5-5 y el análisis matemático es descrito a continuación.
Figura 5-5.Amplificador no inversor dispuesto en la salida del DAQ.
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Considerando:
𝑉𝑥 = 𝑉𝑦 ; 𝐼𝑥 = 0; 𝑖3 = 0 ; 𝐼1 = 𝑉𝑥−0𝑅1
; 𝐼2 = 𝑉𝑥−0𝑅2
Teniendo en cuenta que: 𝑉𝑥 = 𝑉𝑖; 𝑉𝑦 = 𝑉𝑖 se tiene:
𝐼1 = 𝑉𝑖𝑅1
𝐼2 = 𝑉𝑥−𝑉𝑖𝑅2
Y si 𝐼𝑥 = 0 → 𝐼2 = 𝐼1
𝑉0−𝑉𝑖𝑅2
= 𝑉𝑖𝑅1
→ 𝑅1 ∗ 𝑉0 − 𝑅1 ∗ 𝑉𝑖 = 𝑅2 ∗ 𝑉1
𝑅1 ∗ 𝑉0 = 𝑅2 ∗ 𝑉1 + 𝑅1 ∗ 𝑉𝑖 → 𝑉𝑜 = 𝑅2 ∗ 𝑉1 + 𝑅1 ∗ 𝑉𝑖
𝑅1
𝑉𝑜 = 𝑉1(𝑅2 + 𝑅1)
𝑅1 → 𝑉𝑜 = 𝑉𝑖
𝑅2𝑅1
+ 1
En este caso la ganancia será:
𝑉𝑜𝑉𝑖
= 1 +𝑅2𝑅1
Como se ve la ganancia de este amplificador no puede ser menor que 1. Como en el caso del amplificador inversor R3 es igual a la combinación en paralelo R2 y R1.
Para el caso de la adaptación de la señal de salida del DAQ y de entrada al variador, se implementó el amplificador de tal forma que se obtuviera una ganancia de 2, que permitiera a la señal de 5 V, obtenida a la salida de la tarjeta de adquisición de datos llegará al variador de frecuencia convertida en 10V, tensión suficiente para lograr obtener toda el rango de frecuencia del variador.
El resultado final se puede ver en la Figura 5-6 y en la Figura 5-7, en estas imágenes se logra apreciar las dos partes de la interfaz, donde se hace el ingreso del perfil de viento y donde se puede ver la actividad del emulador.
Figura 5-6. Parte del programa donde se realiza el ingreso del perfil de viento.
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Al momento de poner a correr el programa es necesario que el variador ya haya iniciado trabajo, este iniciará su operación a la velocidad mínima que obtiene con la frecuencia mínima de 3 Hz, en ese instante en la ventana de la Figura 5-6 se verá la gráfica del perfil de viento cargado, además de la opción del tiempo de simulación que puede ser de 1 minuto, 10 minutos, 1 hora o en tiempo real.
Figura 5-7.Interfaz del programa donde se muestra el comportamiento del emulador.
La segunda parte de la interfaz muestra el comportamiento de todo el emulador, velocidad, frecuencia a la que está operando, el voltaje generado, la corriente y la potencia generada. Adicionalmente también está la opción de habilitar o deshabilitar la operación manual, para controlar la velocidad de giro en función de la frecuencia y muestra el tiempo al cual se está efectuando la simulación. Esta parte del programa también muestra la curva de potencia que es esta generado y en la siguiente ventana se ven dos curvas cuando el emulador eta en operación, una el set point y la otra la curva que muestra como está actuando el emulador.
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6 PRUEBAS EXPERIMENTALES
En este capítulo se expondrá la forma en la cual se probó el prototipo, estando ya implementado el software y el hardware, los perfiles seleccionados para las pruebas y la forma en la que se determinó el porcentaje de error del emulador.
En las Figura 6-1 y Figura 6-2 se muestra el resultado final del prototipo, en ellas se pueden observar la disposición final de los componentes del emulador y su distribución dentro del contenedor que aloja estos equipos.
Figura 6-1. Partes y componentes del prototipo de emulador eólico terminado vista frontal.
Figura 6-2. Partes y componentes del prototipo de emulador eólico vista superior.
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Partes mecánicas del emulador
• 1. Generador de imanes permanentes • 2. Motor de inducción trifásico WEG • 3. Variador trifásico 3Hp WEG • 4. Acople motor generador • 5. Breaker 25 A • 6. 3 fusibles • 7. Conector de alimentación
Partes de adquisición de datos
• 8. Tarjeta de adquisición de datos NI 6008 USB DAQ • 9. Sensor de corriente ASC712 20 A • Cable USB DAQ-PC • 10. Circuito amplificador no inversor • 11. Transformador AC 120/ 14-5 V • 12. Punto de conexión de carga.
6.1 Prueba manual: Comparación con la curva entregada por el fabricante de la turbina elegida
Teniendo en cuenta que el comportamiento del emulador se relacionó directamente con la turbina escogida mediante su potencia, tal como se vio en la Tabla 4-4, la mejor forma de encontrar el margen de error del emulador es comparando la información entregada por el fabricante de la turbina seleccionada, en este caso de estudio la Eolos 600 W, con los datos arrojados por emulador con las mismas velocidades de viento.
Desde el software, habilitando la opción manual, se observan los valores de potencia obtenido al momento de ingresar la frecuencia correspondiente a los valores de viento de la tabla de potencia dada por el fabricante de la turbina Eolos 600 W, de igual forma se mide la potencia a la salida del prototipo para lograr hacer una mejor apreciación de los datos. En la Figura 6-1 se aprecia una imagen de la interfaz gráfica del emulador mientras el proceso anteriormente descrito se llevaba a cabo, se pueden apreciar también las curvas de potencia (Negro), el set point (azul) que va cambiando conforme cambia la frecuencia que se va seleccionando, y el comportamiento del emulador (rojo).
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Figura 6-3. Comportamiento del emulador durante la prueba en modo manual según la curva de potencia dada por el
fabricante de la turbina elegida.
Comparación de las potencias obtenidas
FRECUENCIA [Hz]
VELOCIDAD DEL VIENTO[m/s] P. Turbina [W]
P. Emulador
[W]
P. Medida
[W] 12 4 25 23,6 25,8 15 5 40 37,7 35 23 6 90 86,4 94,3 25 7 110 109 112,5 29 8 145 134 149,35
33,5 9 190 178 195,69 41 10 280 257 291,1
46,5 11 350 322 349,97 55,5 12 470 445 492,9 59 13 525 503 548,895 66 14 600 578 619,5 59 15 530 505 544,5 57 16 490 448 508,25
Tabla 6-1.Comparación de resultados de potencia dado por el fabricante, el entregado por el emulador y la potencia medida.
Con los resultados obtenidos en las pruebas consignadas en la Tabla 6-1 se calculó la función del error siendo el objetivo principal obtener la potencia de salida de la turbina seleccionada, mediante la siguiente ecuación:
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%𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝑃𝑇 − 𝑃𝐸𝑃𝑇
𝑋100
Los resultados de error obtenidos se consignan en la Tabla 6-2, ya sea para los datos de salida del emulador eólico o la potencia medida a través de equipo como multímetro y amperímetro en las terminales de la carga.
% Error calculado
P. Turbina [W]
P. Emulador
[W]
P. Medida
[W]
% Error Emulador % Error Medida
25 23,6 25,8 6% -3% 40 37,7 41,3 6% -3% 90 86,4 94,3 4% -5%
110 109 112,5 1% -2% 145 134 149,35 8% -3% 190 178 195,69 6% -3% 280 257 291,1 8% -4% 350 322 349,97 8% 0% 470 445 492,9 5% -5% 525 503 548,895 4% -5% 600 578 619,5 4% -3% 530 505 544,5 5% -3% 490 448 508,25 9% -4%
Tabla 6-2. Error en el emulador eólico.
La prueba del emulador de manera manual arrojo que en promedio el emulador tiene un margen de error inferior al 6%, uno de los menores porcentajes de error que se obtuvo a lo largo del desarrollo del emulador.
Con la prueba del programa en modo manual finalizada, el paso siguiente es verificar el funcionamiento del modo automático, en esta función se carga un perfil de viento de 24 horas previamente establecido en unas de las ventanas de la interfaz gráfica implementada en LabView. A continuación se documentan dos pruebas donde se usan características de viento diferentes consignadas en dos perfiles de viento de dos puntos de la geografía colombiana
6.2 Perfil de viento 1
Otra de las opciones escogidas para poner a prueba el funcionamiento del emulador, es la de cargar un perfil de viento de algún lugar específico, para mirar su comportamiento con diferentes velocidades de viento en horas diferentes. Al iniciar el proyecto se contaba con información de tres meses de medición de viento en la ciudad de Bogotá, los datos fueron
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tomados en las instalaciones de la Universidad Los Libertadores. Pero los datos tomados por la estación no son lo suficientemente fuertes para activar la turbina que comienza a generar a partir de 3 m/s.
Para tener velocidades propicias para emular, se recurrió a una base de datos de la NASA, disponible en línea. Con la herramienta “Atmospheric science data center” se obtienen promedios mensuales tan solo con ingresar las coordenadas del lugar del cual se desean saber las diferentes condiciones meteorológicas que el programa puede entregar. En la Tabla 6-3, muestra el promedio mensual de las coordenadas de Bogotá, Latitud: 4,598, Longitud: -74,081
Lat 4,599 Jun Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Annual
average lon -74,081 10-year Average 2,08 2,14 2,11 1,99 2,06 2,46 2,57 2,31 2,12 1,95 1,92 2,15 2,15
Tabla 6-3.Promedio mensual de velocidad de viento en la ciudad de Bogotá.
Debido a que en el software se tienen 24 horas para la simulación y en la información obtenida mediante Atmospheric science data center son 12 datos, se repitieron los datos de esta lista, los datos completos ingresados a la tabla de velocidad de viento se muestran en detalle en la Tabla 6-4.
Perfil de viento Bogotá Hora Velocidad Viento [m/s] 00:00 2,08 01:00 2,19 02:00 2,11 03:00 1,99 04:00 2,06 05:00 2,46 06:00 2,57 07:00 2,31 08:00 2,12 09:00 1,95 10:00 1,92 11:00 2,15 12:00 2,08 13:00 2,19 14:00 2,11 15:00 1,99 16:00 2,06
60
17:00 2,46 18:00 2,57 19:00 2,31 20:00 2,12 21:00 1,95 22:00 1,92 23:00 2,15
Tabla 6-4. Perfil de viento ingresado para la primera simulación.
A pesar de los esfuerzos ya mencionados para lograr obtener un perfil de viento proveniente de la ciudad de Bogotá, idóneo para la producción de energía eléctrica a partir del aprovechamiento eólico, mediante la utilización de la turbina EOLOS 600 W, el emulador eólico expuesto en este documento arrojó resultados poco favorables al ingresar el perfil de viento de la Tabla 6-4.
La turbina emulada en el proyecto, inicia su operación a partir de 3 m/s, por lo tanto los vientos registrados en los perfiles de la Universidad Los Libertadores y en los promedio mensuales de la Tabla 6-3 no son suficientemente fuertes para poder generar energía eléctrica, tal como se ve en la Figura 6-5, que muestra la actividad del emulador con dicho perfil de viento cargado.
Figura 6-4. Operación del emulador con perfil de viento de la ciudad de Bogotá cargado.
6.3 Perfil de viento 2
Según el análisis realizado en el capítulo dos al mapa de viento de Colombia, donde se intenta determinar el potencial eólico del país, existen algunas zonas con mejores condiciones que Bogotá para la explotación de energía eólica. Para el registro de una
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nueva prueba se escogió entonces el departamento de la guajira para buscar allí una posición geográfica cuyas condiciones medioambientales fueran idóneas para la explotación de la energía eólica.
El lugar seleccionado es el municipio de Uribía en el departamento de la Guajira, reconocido lugar por albergar el único parque eólico existente en Colombia, las coordenadas de este lugar son; latitud 12,5, longitud -72,5. Para el ingreso del perfil de viento al programa, se hizo lo mismo que en la prueba anterior, se extrajeron los datos con las coordenadas del lugar de interés mediante la base de datos disponible en línea de la nasa llamada Atmospheric science data center. El promedio mensual entregado por el servicio atmosférico se repite para poder acomodarlo a las horas de entrada en la interfaz de Labview, los datos extraídos pueden verse en la Tabla 6-5. Promedio mensual de velocidad de viento en coordenadas de un municipio de la Guajira. y se ingresaron tal como se ve en la Tabla 6-6.Perfil de viento ingresado para la segunda simulación..
Lat 12,22 Jun Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Annual
average lon -72,15 10-year Average 8,94 9,27 9,02 7,46 6,43 7,56 7,86 6,67 5,36 5,11 6,13 8,08 7,31
Tabla 6-5. Promedio mensual de velocidad de viento en coordenadas de un municipio de la Guajira.
Perfil de viento Guajira Hora Velocidad Viento [m/s] 00:00 8,94 01:00 9,27 02:00 9,02 03:00 7,46 04:00 6,46 05:00 7,56 06:00 7,86 07:00 6,67 08:00 5,36 09:00 5,11 10:00 6,13 11:00 8,08 12:00 8,94 13:00 9,27 14:00 9,02 15:00 7,46 16:00 6,46 17:00 7,56 18:00 7,86
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19:00 6,67 20:00 5,36 21:00 5,11 22:00 6,13 23:00 8,08
Tabla 6-6.Perfil de viento ingresado para la segunda simulación.
El perfil se carga en el programa al momento en que se inicia la simulación y en la primera página del software se puede visualizar la curva que describe dicho perfil, tal como se aprecia en la Figura 6-4, donde no solo se ve la curva sino también alcanza a visualizarse los datos del perfil de viento en la matriz de la parte izquierda.
Figura 6-5. Perfil de viento de Uribía-Guajira cargado en el programa del emulador.
Como se describió anteriormente, los tiempos de la simulación pueden cambiarse, el perfil de viento con datos de 24 horas de medición del recurso eólico, puede reproducirse en tiempo de 1 minuto, 10 minutos, una hora y en tiempo real, para este ensayo se consignaron los resultados obtenidos en las simulaciones en un minuto, el comportamiento de esta prueba se ve en la Figura 6-6 y con tiempo de simulación 10 minutos, esta última se presenta en la Figura 6-7.
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Figura 6-6. Comportamiento del emulador, reproduciendo el perfil de viento de la guajira y simulándolo con un tiempo de 1 minuto.
Puede verse como en promedio, durante la prueba al cargar el perfil de viento originario de la Guajira, se generaron 100 W, tambien se ve como el emulador al momento de simular en un tiempo de un minuto, no logra estabilizarse ni igualar el comportamiento del perfil de viento cargado, almenos en los aumentos considerables de la velocidad del viento, debido a la rapidez con la que este cambia.
Por su parte, en la prueba con un tiempo de simulacion de 10, gracias a que el programa cuenta con mas tiempo para para hacer todo el procesamiento, la curva que muestra el comportamiento del emulador, logra verse mas fiel a la del perfil de viento cargado, tal como se ve en la Figura 6-7.
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Figura 6-7. Comportamiento del emulador, reproduciendo el perfil de viento de la guajira y simulándolo con un tiempo de 10 minutos.
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7. ANÁLISIS ECONÓMICO
El análisis económico descrito en este capítulo, es una descripción de precios de los equipos y accesorios utilizados durante el proceso de elaboración del prototipo, en sus diferentes etapas.
Como se explicó en este documento, el prototipo se dividió en dos partes: el hardware, que reúne los equipos mecánicos y el software, donde se agrupan los componentes de control del emulador y la adquisición de datos. En la Tabla 7-1 se relacionan las características y precios de los equipos del sistema mecánico y en la Tabla 7-2 la parte de la adquisición de datos.
Ítem Descripción Cantidad Precio Unitario Precio Total
Motor de Inducción
Motor trifásico de inducción de 1,5 KW 1,00
860.000,00
860.000,00
Generador de imanes
permanente
Generador de Imanes permanentes, imanes
permanentes de neodimio 1,00 1.200.000,00 1.200.000,00
Variador de Velocidad
Variador de frecuencia CFW500 WEG 1,00 1.150.000,00 1.150.000,00
módulo de expansión USB
del variador
Plug in expansión USB, entradas y entradas
analógicas 1,00
250.000,00
250.000,00
Breacker tripular ABB 25A 1,00
35.000,00 35.000,00
TOTAL 3.495.000,00 Tabla 7-1.Equipos utilizados en la etapa mecánica del emulador y sus respectivos precios.
Ítem Descripción Cantidad Precio Unitario Precio Total
DAQ USB-6008 Dispositivo DAQ
Multifuncional de bajo costo de 12 Bits, 10 KS/s
1 1.016.000,00
1.016.000,00
Transformador Transformador de Tensión 120/14 V 1
25.000,00
25.000,00 Amplificador operacional LM 324 1
1.500,00
1.500,00 Sensor de Corriente Sensor ACS712 1
20.000,00
20.000,00
TOTAL 1.062.500,00
Tabla 7-2.Equipos utilizados en la etapa de control y software del emulador y sus respectivos precio.
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Además de esto se compró una caja, elaborada en acrílico para la contención de todos los elementos, en la Tabla 7-3 se ve la descripción y precio de dicha caja.
Ítem Descripción Cantidad Precio Unitario Precio Total
caja acrílico estructura elaborada en el
acrílico para contención del emulador de turbina eólica
1,00 500.000,00
500.000,00
Tabla 7-3. Precio de los gastos adicionales.
En la Tabla 7-4 se da el total de la inversión del emulador
Ítem Precio Total
Etapa mecánica del emulador 3.495.000,00
Etapa de adquisición de datos 1.062.500,00
Gastos adicionales 500.000,00
Total 5.057.500,00
Tabla 7-4. Valor total invertido en el prototipo del emulador*.
* El valor total del prototipo no incluye compensación económica a los investigadores.
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8. CONCLUSIONES
Se diseñó y se implementó un emulador de una turbina eólica, de pequeña potencia mediante el acople de un motor y un generador, el cual cuenta con un programa desarrollado en Labview, que hace las veces de control y permite el ingreso de las velocidades de viento que se desee. Mediante una interfaz gráfica amigable con el usuario, que registra la actividad del emulador y en donde se puede visualizar la potencia generada, además de permitir cambios para seleccionar cualquier tipo de turbina eólica menor a los 700 W, con el fin de poder analizar su comportamiento.
Al momento de la caracterización del grupo motor-generador se tuvieron en cuenta una gran cantidad de variables, tales como la tensión y la corriente generada, la velocidad del motor dada en revoluciones por minuto, la frecuencia dada por el variador y la frecuencia a la salida del generador, en dichas pruebas estas dos no tuvieron variación alguna. Luego de planear el control del emulador mediante las rpm, se determinó que para tener una referencia adicional, que permitiera conocer la precisión con la cual se venía desarrollando el prototipo del emulador, sería una gran ventaja desarrollar la programación en Labview, teniendo a la frecuencia como referente principal, gracias a que el variador entrega en su pantalla el dato de frecuencia, y este mismo se puede ver en la pantalla de la interfaz del software.
El incluir la opción de seleccionar el tiempo de la simulación dentro de la interfaz del emulador, permitió realizar una gran cantidad de pruebas en poco tiempo, donde se logró observar donde existían falencias al momento de correr los perfiles de viento seleccionados. Al iniciar la simulación con el tiempo de un minuto, se vio claramente como al existir un aumento en la velocidad en los datos del viento, la curva que describe el comportamiento de la actividad del emulador, no lograba igualar la referencia entregada por los datos del perfil de viento. Este problema se logró superar cuando el tiempo de la simulación aumentó, ya que se contaba con un periodo más prolongado para estabilizarse.
Al no conocer toda la información y características de la planta, se dificultó el uso de métodos analíticos convencionales para encontrar dichos datos y obtener la función de transferencia y de esta forma encontrar las variables correctas a utilizar en el PID implementado en el software e interfaz del emulador. Luego de consultar varias opciones se optó por el uso de una de las herramientas con las que cuenta Labview en cuanto a reglas de sintonización de PID se refiere, mediante el método Ziegler Nichols y de esta forma se hallaron las variables P, I, y D durante las pruebas realizadas al prototipo, ahorrando así procesos matemáticos al momento de la ejecución de este proyecto.
Gracias a las pruebas experimentales realizadas mediante este prototipo, se determinó que a pesar de haber estudiado el potencial eólico que tiene el país y descubrir que en la mayoría de casos no se cuenta con velocidades del viento propicias para explotación eólica, existen ciertas excepciones, que presentan escenarios adecuados para una
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generación eléctrica a pequeña escala y como se expresó en todo el documento, la instalación de aerogeneradores puede ser una solución, si se realiza una implementación de tipo híbrida, a los problemas de suministro eléctricos presentes especialmente en las zonas no conectadas al sistema interconectado nacional.
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ANEXOS
Tabla de datos de la caracterización del grupo motor generador con una carga de 10 Ω
Caracterización motor generador 10 Ω
RPM frecuencia [Hz] V out [V] I out [A] P out [W] 86 3 4,4 0,25 1,1
102,5 3,5 5,2 0,31 1,612 117 4 6,3 0,36 2,268 131 4,5 7,2 0,42 3,024
146,6 5 8,4 0,47 3,948 161 5,5 9 0,52 4,68 175 6 10 0,57 5,7 191 6,5 10,9 0,63 6,867 212 7 11,8 0,68 8,024 218 7,5 12 0,73 8,76 226 8 13,6 0,78 10,608 249 8,5 14,6 0,84 12,264 263 9 15,3 0,89 13,617 278 9,5 16,5 0,95 15,675 290 10 17,2 1 17,2 300 10,5 18,2 1,06 19,292 315 11 19,05 1,1 20,955 334 11,5 19,9 1,15 22,885 341 12 20,8 1,2 24,96 363 12,5 21,6 1,26 27,216 380 13 22,47 1,3 29,211 396 13,5 23,5 1,36 31,96 410 14 24,23 1,41 34,1643 424 14,5 25,3 1,46 36,938 439 15 26 1,51 39,26 454 15,5 26,9 1,56 41,964
469,5 16 27,76 1,61 44,6936 475 16,5 28,64 1,66 47,5424 485 17 29,5 1,71 50,445 503 17,5 30,3 1,76 53,328 514 18 31,2 1,81 56,472 541 18,5 32,2 1,86 59,892 548 19 32,8 1,91 62,648 568 19,5 33,7 1,96 66,052
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557 20 34,5 2,01 69,345 590 20,5 35,4 2,06 72,924 614 21 36,3 2,11 76,593 621 21,5 37,14 2,16 80,2224 644 22 37,94 2,21 83,8474 651 22,5 38,8 2,26 87,688 673 23 39,6 2,31 91,476 681 23,5 40,5 2,36 95,58 689 24 42,1 2,4 101,04 715 24,5 42,9 2,45 105,105 722 25 43,7 2,51 109,687 730 25,5 44,6 2,56 114,176 753 26 45,4 2,6 118,04 776 26,5 46,1 2,65 122,165 789 27 47 2,7 126,9 800 27,5 47,9 2,75 131,725 810 28 48,8 2,8 136,64 827 28,5 49,6 2,85 141,36 840 29 50,3 2,9 145,87 863 29,5 51,1 2,94 150,234 879 30 52 2,99 155,48 894 30,5 52,8 3,03 159,984 907 31 53,6 3,08 165,088 923 31,5 54,4 3,13 170,272 937 32 55,3 3,18 175,854 952 32,5 56,1 3,22 180,642 965 33 56,8 3,26 185,168 982 33,5 57,7 3,31 190,987 995 34 58,5 3,36 196,56
1004 34,5 59,3 3,41 202,213 1023 35 60,1 3,45 207,345 1036 35,5 60,9 3,5 213,15 1044 36 61,7 3,54 218,418 1070 36,5 62,5 3,59 224,375 1083 37 63,2 3,63 229,416 1097 37,5 64 3,68 235,52 1111 38 64,8 3,73 241,704 1124 38,5 65,5 3,77 246,935 1141 39 66,3 3,81 252,603 1158 39,5 67 3,86 258,62 1173 40 67,8 3,9 264,42
73
1188 40,5 68,8 3,96 272,448 1202 41 69,6 4 278,4 1217 41,5 70,3 4,04 284,012 1232 42 71 4,08 289,68 1244 42,5 71,9 4,14 297,666 1260 43 72,5 4,18 303,05 1277 43,5 73,2 4,22 308,904 1291 44 74 4,27 315,98 1305 44,5 74,7 4,31 321,957 1320 45 75,5 4,35 328,425 1335 45,5 76,2 4,39 334,518 1348 46 76,9 4,44 341,436 1361 46,5 77,7 4,48 348,096 1379 47 78,4 4,52 354,368 1390 47,5 79,1 4,56 360,696 1405 48 79,9 4,61 368,339 1423 48,5 80,6 4,66 375,596 1438 49 81,6 4,71 384,336 1450 49,5 82,4 4,75 391,4 1466 50 83 4,79 397,57 1482 50,5 83,7 4,82 403,434 1496 51 84,2 4,87 410,054 1512 51,5 85 4,91 417,35 1526 52 85,6 4,95 423,72 1540 52,5 86,4 4,99 431,136 1550 53 87 5,03 437,61 1570 53,5 87,7 5,07 444,639 1580 54 88,4 5,11 451,724 1590 54,5 89,1 5,15 458,865 1607 55 89,8 5,19 466,062 1629 55,5 90,5 5,21 471,505 1643 56 91 5,2 473,2 1657 57 92,4 5,35 494,34 1701 58 93,8 5,43 509,334 1730 59 95,2 5,52 525,504 1760 60 96,6 5,6 540,96 1789 61 97,9 5,67 555,093 1816 61 99 5,8 574,2 1928 66 99,7 6,08 606,176 Anexo 1. Datos correspondientes a la operación del emulador en su caracterización.
