Archive for the ‘Generador’ Category
Las normas internacionales para la conexión de parques eólicos a un sistema interconectado detallan los márgenes de recuperación dinámica de la tensión que estos parques deben obedecer durante cualquier perturbación o falla, lo cual en inglés se denomina: Fault Ride Through (FRT). A continuación, se muestran estos criterios en tres normas: la alemana, escocesa e irlandesa.
De las ilustraciones anteriores se puede dilucidar que existen diversos requerimientos para la operación durante falla de parques eólicos, y estos dependen de las características del sistema. La norma alemana muestra un requerimiento bastante exigente para el parque en el cual se deben mantener niveles de tensión superiores a los 0.7 p.u. luego de ser despejada la falla, en cambio, la norma irlandesa es menos exigente en este aspecto ya que se le permite una mayor área de operación antes de la desconexión del sistema. Esta diferencia entre normas nace del enfoque principal de estabilidad del sistema. En un sistema grande y muy enmallado como el alemán, la estabilidad de la frecuencia no es mayor problema, razón por la cual la desconexión de los parques eólicos se puede realizar, para así evitar inestabilidades de tensión producto del consumo de reactivos por parte de los parques durante la falla. En cambio en un sistema pequeño o isla como es el irlandés, la estabilidad de frecuencia se vuelve una prioridad ante la posible desconexión masiva de varias turbinas eólicas, razón por la cual se le exige a los parques un mayor tiempo de conexión durante falla.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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La estabilidad de frecuencia de un sistema está íntegramente relacionada con la generación de potencia activa. La inestabilidad de la frecuencia se presenta al existir oscilaciones muy severas de la generación o de la demanda.
La generación eólica se genera a partir de la velocidad del viento, la cual es incontrolable y posee un gran nivel de variabilidad por lo cual se puede presentar un escenario en que existen velocidades de viento altas y minutos después velocidades de viento bajas. Esta incertidumbre se muestra en la siguiente figura:
Lo presentado es ejemplo de la gran variabilidad de la generación eólica, lo cual a primera instancia provocaría cierta reticencia a su introducción masiva al sistema, por temas de estabilidad de frecuencia de corto y largo plazo.
Sin embargo, existen estudios donde se ha comprobado que la variabilidad de los parques decrece entre mayor sea el número de unidades y mayor sea el área geográfica en que se ubiquen. Lo siguiente se presenta en la figura y tabla mostrados a continuacíón.
La tabla anterior indica las máximas variabilidades de generación eólica para distintas escalas de tiempo, y distintas regiones según área y número de parques. Esta table permite determinar que la variabilidad aumenta entre mayor sea la escala de tiempo, de variaciones menores al 10% para los minutos, hasta variaciones del 80% para 12 horas. Además se puede observar que entre más parques estén instalados en la zona, menores son las variaciones, esto se verifica comprobando las variaciones de las zonas de Irlanda y Alemania que son menores a las de EEUU debido al mayor número de parques dentro de las zonas de estudio.
Por último… lo expresado anteriormente permite dilucidar que el viento tendrá menor variabilidad entre menor sea la escala de tiempo, por ende para escala de tiempos de segundos ésta es prácticamente nula, lo cual implica que durante las simulaciones dínámicas se podrá suponer que la velocidad del viento se mantendrá constante.
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Un parque eólico consta de muchas turbinas todas ellas interconextadas a la red eléctrica, a la que aportan de manera individual. Pero dado el emplazamiento de un parque por sus buenos vientos tanto en intensidad como en frecuencia, se distribuye las turbinas en función a ciertas características como la rugosidad del terreno, la velocidad de viento predominante, la altura de la torre, el diámetro del área de la turbina, entre otros factores. La figura muestra un espaciamiento óptimo entre turbinas, pero son las particularidades de viento y geográficas del emplazamiento los que definen a que distancia colocar.
Recuerden que la dado que el viento entrega parte de su energía a la turbina, éste disminuye su presión y se expande luego de pasar por la turbina… luego el viento que no interactuó con la turbina, va comprimiendo esta estela de baja presión de viento hasta nivelarlo con la presión ambiente, es en esta condición que nuevamente puede ingresar a una siguiente turbina eólica.
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La Rosa de Vientos es un modo de representación del recurso eólico. Con un simple vistazo a este modo de gráfico conoceremos la frecuencia, valores medios de velocidad de viento y la energía en cada dirección. La Rosa de Vientos, se trata de un diagrama polar que representa el tanto por ciento de viento con la dirección indicada y, en módulo, su escala de velocidad media.
Las observaciones generalmente efectuadas permiten deducir que la dirección del viento varía continuamente en torno a una dirección media.
Otro aspecto importante es la posibilidad de obtener las Rosas de Potencia y la de Energía a partir de la Rosa de Vientos. De hecho la Rosa de Energía va a ser el dato determinante para la situación de los Aerogeneradores en un emplazamiento dado. Evitando las sombras de viento entre estos cuando el viento viene con su mayor energía.
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Del área de barrido de un aerogenerador, depende principalmente la potencia que se puede generar por un aerogenerador. Dado que el aerogenerador captura parte de la energía cinética contenida en el viento para transformarlo en energía mecánica de rotación por intermedio del rotor. La potencia mecánica es luego transmitida por diferentes ejes hacia el generador eléctrico que lo transforma en energía eléctrica. La figura muestra una representación del diámetro del rotor (y por ende el área de barrido del rotor) y las potencia eléctrica nominal de aerogeneradores de diferentes fabricantes. Sirve para darnos una idea de las potencias y dimensiones. El tope es 2.5MW pero que obviamente ya han sido superados, es decir, ahora hay turbinas con mucha mayor capacidad nominal, pero eso lo estaremos colocando una nueva entrada.
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Las líneas HVDC causan interés en la comunidad científica, de ingenieria, en los gobiernos y empresas que ven en esta forma de transmisión de electricidad muchas ventajes técnicas y beneficios económicos. Os muestro dos diagramas breves en que se puede apreciar los criterios básicos para el cálculo de una línea de transmisión HVDC. Espero que les sirva. Saludos.
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En el diagrama mostrado se presente de manera unifilar un sistema HVDC. Están los geneneradores en AC (lógico) con sus respectivos transformadores y rectificadores. La línea de HVDC que transmite la energía eléctrica en corriente continua en niveles de voltaje bajos y altos como se puede ver en las diferentes experiencias a nivel mundial en HVDC. Luego siguen los inversores que entregan la energía eléctrica en alterna hacia los transformadores reductores que distriuyen la energía a las cargas a través de las redes de subtransmisión y distribución. Las potencias que maneja una línea HVDC puede ser de hasta 6 GW o más… grandes líneas HVDC están en construcción o se planean construir en USA; Brasil, CHina, India, Sudáfrica, entre otros países.
Estos sistemas también cuentan con la protección eléctrica necesaria, la recolección de datos que son procesados y tratados en base a los cuales computadoras determinan las condiciones del sistema en cada momento. Una línea HVDC puede ir en torres (como las suelen ser las líneas de transmisión AC), pueden también ir enterradas o ser submarinas (experiencia grande en Europa donde la energía eléctrica producida por los parques eólicos en mar son transportadas por líneas de corriente continua hacia la orilla del mar).
Aclaración, líneas de corriente continua los hay en varios voltajes, pero estos diseños de HVDC estamos hablando desde aprox 330kV para arriba (500 kVDC, 600 kVDC, 800 kVDC).
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He querido mostrar en la presente entrada el diagrama unifilar de una estación de distribución, que en Perú lo solemos llamar: Patio de Llaves. Podrán apreciar los voltajes de trabajo de los diferentes equipos. La energía eléctrica viene por la red de subtransimión y el primer elemento que actúa sobre ella son interruptores, fusibles, seccionadores y los hay de diferente modelos, marcas y precios (obviamente). Los seccionadores en los que se puede observar visualmente los contactos garantizando que el operario o personal tenga la seguridad que no puede haber flujo de energía eléctrica. Hay también pararrayos y luego el transformador de potencia, para hacer la convesión de voltajes. Hay también relés de sobrecorriente, de sobretensión y pueden haber otros relés seleccionados según la particularidad de la carga a alimentar. También hay equipos de medición (cosa que la figura no lo han contemplado como transformadores de corriente, transformadores de voltaje, termocuplas, etc). Luego la energía llega al bus (en Perú lo llamamos barra) en donde se conectan todos los circuitos de distribución (circuitos alimentadores) con sus respectivas protecciones… dichos circuitos alimentadores llevan la energía eléctrica hacia las cargas eléctricas o hacia transformadores de distribución si el nivel de voltaje lo amerita o permite.
El diagrama mostrado se llama UNIFILAR porque muestra en una línea un circuito trifásico como es lo que en realidad es lo mostrado. Para identificar algunas características particulares del circuito se utiliza símbolos como la delta y la estrella en el transformador…
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La figura muestra la forma tradicional de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica… En ella, se tiene que en las centrales eléctricas de diferente tipo, la energía prima es transformado en energía eléctrica que llega aun patio de llaves en donde transformadores de potencia elevan el potencial eléctrico de la energía a valores tales que permiten la transmisión a grandes distancias de grandes cantidades de potencia eléctrica y que en los lugares a arribo, hay transformadores de potencia que reducen a niveles de voltaje tales que permiten la distribución entre los consumidores sean estos en media tensión (industrias, cargas importantes, etc) o baja tensión (residencias, comercios, colegios, etc).
Hay un paso intermedio entra la transmisión y la distribución de energía eléctrica, se llama: sub-transmisión. Las normas de cada país regulan los voltajes, frecuencias, niveles de ruido, protección eléctrica, diseños de líneas de transmisión, selección de los diferentes equipos… también hay normas internacionales que hacen recomendaciones sobre ello, unas más exigentes que otras que son más comerciales.
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Hola a todos… la figura muestra un ejemplo de como la demanda de potencia eléctrica varía durante la semana (es algo representativo, no se cumple para todos los casos, pero da una idea del asunto). Entonces las cenrales eléctricas que se utilizan para abastecer a esta demanda se pueden clasificar como centrales base, centrales intermedias y centrales de punta.
Las centrales base están permanente funcionando a su máxima capacidad permitiendo bajos costos de la energía eléctrica. Las centrales intermedias son las que llevan a abastecer cierta cantidad apreciable de la demanda y que por su capacidad nominal pueden suplir energía pero a costos un tanto mas caros que las centrales base. Y las centrales de punta, con capacidad de encendido rápido y puesta a punto en corto tiempo, por lo general utilizan combustibles fósiles lo que incrementa el costo de la energía eléctrica.
SIn embargo, eso no es todo, puesto que capacidad instalada hay mucho más del máximo histórico, esto genera en una reserva de capacidad en dos variantes: reserva de capacidad paralizada que se dice a la maquinaria en stand-bye y reserva de capacidad volante, que se refiere a la maquinaria que está en movimiento pero no produce energía eléctrica.
Se tiene cuidado en que la inteconexión entre las diferentes fuentes se haga de manera adecuada, para cubrir las distancias entre barras o centros de consumo se procura un adecuado nivel de tensión y las líneas de transmisión de sieño particular para cada caso.
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Hola estimados visitantes… a veces se encuentra que hay catálogos que no contienen toda la información técnica necesaria para que podamos hacer los cálculos eléctricos necesarios para la realización de nuestros trabajos de investigación, de curso o de tesis. Acá les muestro lo que es propiedades físicas de los metales usados en cables, estos valores cumplen los requisitos mínimos optados por la norma internacional comúnmente aceptada.
Se dice conductor al elemento que conduce electricidad de material sólido, y cable al conjunto de conductoers trenzados para conductir mucha mayor cantidad de corriente y potencia. Tranzados para mantener la forma y disminuir los espacios interconductores que se pudieran presentar y aumentar también la resistencia a la tensión mecánica.
Les muestro de los más conocidos: cobre, aluminio y también de plomo. De este último esta destinado para fines bastante específicos en comparación al cobre y aluminio que son ampliamente utilizados en la electrotécnica.
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Hay veces que es útil tener una referencia sobre la resistencia por unidad de longitud (por lo general km) para hacer uno que otro cálculo. Cada fabricante tiene su lista de productos con sus especificaciones técnicas o algún programa que permite mostrarte resultados según lo puesto en su base de datos. Sin embargo, hay normativas que todos los fabricantes deben cumplir y ceñirse a valores máximos de resistencia por unidad de longitud… los fabricantes cumplen la norma y si lo hacen menos o mas resistivo, ya es cuestión de fabricación, marketing, costos y ventas.
En esta gráfica les muestro los valores máximos para corriente continua (corriente directa o c.d.) y están especificados según su especificación estándar.
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Algunas personas recordarán que en su niñez lograron jugar al juego de las cometas… y ese principio lo han usado para crear esto lo que han llamado: kite wind generator, que en términos de nuestro idioma sería: generación por cometas eólicas (salvo mejor traducción a algun visitante). Como funciona ?
Pues la cometa tiene un ángulo de inclinación que le permite crear mayor o menor fuerza sobre el cable o hilo, este cable se une a un mecanismo para poder crear un movimiento rotacional que se aprovechable por un generador eléctrico, y el sistema debe ser tal que permita la continuidad de giro rotacional con el ascenso y descenso de la cometa. Quiere decir, que colocan la cometa con un ángulo que crea mucha fuerza y el cable enrollado se suelta, una vez acabado la cantidad disponible de cable, se cambia el ángulo para que se inicie a enrollar de nuevo el cable… depende del mecanismo se puede obtener mejores o menores índices de eficiencia.
Esto es buen tema para ser desarrollado en Matlab/Simulink… la parte norte de Europa tiene varios reportes experimentales sobre este caso que iremos colocando en siguientes blogs.
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Sobre todo esto sucede en países europeos… se fija la estructura en el fondo marino y luego se instalan la torre, la góndola y las aspas. Estas turbinas tienen una potencia de 300 kW cada una. La energía eléctrica generada es transportada a través de cables que descienden de la góndola donde está el generador, hacia el fondo marino y por medio de cables submarinos (ABB es el que tiene mejor implementada esta tecnología de cables submarinos de alta potencia y alto voltaje) se transporta hacia una subestación o hacia la orilla del mar donde se interconecta a las redes eléctricas (sistemas eléctricos de potencia).
Cada vez hay más avance en el desarrollo de turbinas como en otros campos de las energías renovables e implica el trabajo multidisplinario de físicos, químicos, biológos, ingenieros, matemáticos, etc. En la figura son 6 turbinas lo que da 1.8 MW de capacidad instalada y se colocan offshore porque uno que los países europeos tienen poca área continental disponible y porque los vientos son buenos (colocan en lugares donde hay vientos a partir de 5 m/s), punto adicional, es la gran necesidad que tienen de no depender de combustibles fósibles (que causan dependencia energética) y por los acuerdos que como naciones desarrolladas han tomado, se han comprometido en abastecer sus redes energéticas con un porcentaje de sus necesidades con fuentes renovables. Ojalá que algún día ello se realize por estos lares…
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Tiene unas propiedades físicas extraordinarias, impresionantes y totalmente visionarias en potencial de aplicaciones… y lo bueno es que, los Premio Nóbel 2010 de Física no lo patentaron, porque sino la cosa sería pagada. Grande han hecho en no patentarlo, así, medio mundo se ha metido de lleno en estudiar sus propiedades y aplicaciones, desde fuentes de almacenamiento de energía eléctrica de extremadamente gran capacidad, hasta superconductores, memorias electrónicas, unos en dispostivos médicos, etc… son muchas las aplicaciones potenciales. Mejor dénle click a la figura para que lo puedan leer el texto inmerso en la figura.
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No es un cable superconductor cualquiera, es la primera aplicación de superconductores de alta temperatura instalados en un sistema eléctrico de potencia comercial,´puesto en funcionamiento hacia abril del 2008. Se puede apreciar que son tres cables superconductores, los cuales pueden transportar unos impresionantes 574 MW ¡uff!… este podría decirse que es el inicio a que poco a poco las técnicas de producción se mejoren y resulten más baratos, aparte de ello, sirven para evaluar el desempeño de estos superconductores en funcionamiento real, lo cual lleva a su mejor comprensión. Un superconductor es debido a la formación de los pares de Copper, los cuales se mueven sin resistencia a lo largo del material superconductor. Cosa posible de simular en Matlab/Simulink y que sería un buen tema xD.
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Muestra en esta figura dos modelos de biodigestores: indio y chino. Los biodigestor sirven para tratar la materia orgánica, los cuales son tratados en recipientes como los mostrados en la figura. La materia orgánica se va colocando en dichos recipientes, dentro del cual permanecen un período de tiempo (varias semanas) en donde bacterias hacen su trabajo de consumir la materia. Por el lado contrario a la entrada, sale abono y en la parte superior hay una salida para biogas (término algo de filantropia ecológista para mencionar al metano).
Y porqué China e India llevaron la delantera en este tema?… ajá, su población es mucha y por lo tanto, hay mucha materia orgánica (basura, desechos orgánicos, etc) de los cuales han sabido sacar provecho. Ya últimamente a nivel mundial se busca mejorar los procesos. Simular biodigestores también se hace en Matlab/Simulink, pero acá se necesita conocer bien la parte química y biológica que determinan o explican lo que ocurre al interior de un biodigestor. Amén.
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Se tiene una sencilla ecuación que relaciona los torques motor – torque generador = momento de inercia por la derivada de la velocidad angular con respecto al tiempo. Se sabe que la velocidad angular (w) es igual a dos veces el valor de pi multiplicado por la frecuencia (f). En la simulación realizada se muestra como está variando la frecuencia debido a la diferencia entre el torque motor y el toque electromagnetico en el generador. Se dice que un torque motor es aquel que mueve el eje del generador y el torque electromangetico es el torque opuesto al motor producido por la interacción de las cargas eléctricas. En las gráficas se han asumido esos valores para representar las variaciones de la frecuencia en el tiempo de simulación considerado. Hecho en Matlab/Simulink.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
Group of Mathematical Modeling and Numerical Simulation (GMMNS).
Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, Perú.
E-mail: jmirez@uni.edu.pe
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Obviamente que nada es estático en este mundo y menos en la Tierra donde la capacidad de creación es de todos los días y parte escencial de nuestra naturaleza. La figura en mención es la turbina submarina más grande del mundo para la generación del mar, utilizando la corrientes marinas (mareas) que en algunos lugares del planeta son particularmente altas y pueden ser aprovechadas.
La simulación de dicha turbina la presento a continuación.
El siguiente enlace puede dar información adicional: http://www.todointeresante.com/2010/08/ak1000-atlantis-mayor-turbina-submarina.html
Y de hecho lo hemos simulado en Matlab/Simulink, con algún criterio para simplificar, pero bien puede ser un tema de estudio o de tesis.
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Good day. My full name is Jorge Luis MIREZ TARRILLO.
I am Peruvian and live in Lima, capital of Perú in South America.I am Mechanical Electrical Engineering, MSc Physics and Dr. Physics (title doctoral thesis: Control, Optimization, and Management of Microgrid Current Direct)
Too, actually job as Principal Professor in Faculty of Oil, Gas and Petrochemical Engineering of Universidad Nacional de Ingeniería (National University of Engineering) in Lima – PERU (Courses: Modern Physics, Differential Equations and Research's Methodology)
My subjects of my interest are control, signal processing, optimization, simulation, biomedical research, smart grid, microgrid, water.
I have experience in Matlab/Simulink programming, biomedical equipment, electrical systems, renewable energies, microgrids, saturated steam systems 100 psi and organizing academic events.
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