Archive for the ‘Wind Power’ Category
Atiendo a esta reunión bastante importante es que gracias al apoyo de CYTED y CEDER-CIEMAT es que daremos esta conferencia en el marco del IIi Congreso Iberoamericano de Microredes con Generación Distribuida de Renovables. Este evento sirve de marco para el intercambio de información, experiencias y el tomar en contacto con investigadores provenientes de diferentes países de habla hispana y no hispana, dedicados al sector energía y otros sectores incluyendo el aeroespacial en que el uso de fuentes de energía como sol, viento, biomasa, celdas de combustible, entre otras es bastante importante. Y no sólo eso, importante y quizás mucho más lo que es las técnicas de control, predicción, modelamiento y simulación, software desarrollado que son las cosas de mayor valor agregado, la combinación de diferentes escenarios de trabajo y de implementación en industrias, centros de atención de salud, barcos, naves espaciales, soporte de vida en condiciones extremas, etc. Les dejo la portada de mi presentación y cualquier comunicación a jorgemirez2002@gmail.com, y quienes estén por acá, estaremos conversando.
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Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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During 2013 and 2014, i was working with Daniella Rough in your thesys master. Title of thesys is: «Techincal and Financial Feasibility of Wind Power to Gas Systems: A Case Study of the Talara Wind Farm, Perú». Very interesting with complex modelling mathematical and simulation on Matlab/Simulink. I was the second examiner, i live in Perú because Talara Wind Farm has placed near to Piura (in the North of Perú). Actually Talara Wind Farm is in operation.
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En el presente post les presento los datos de dos turbinas, una que tiene una potencia nominal de 2 MW (Vestas V80 y que he presentado su curva de potencia en un anterior post) y una de 10 kW (Bergey XL). Se muestra tanto la potencia como el coeficiente de potencia. Este post se genera pues recibo varios correos en que leo que es un tanto difícil conseguir datos del coeficiente de potencia. Esta tabla les va a permitir hacer sus programas de modelamiento y simulación al menos bajo estas dos referencias. Pueden ver que a mayor potencia debido a la mayor área que cubre el movimiento de las aspas se logra coeficientes de potencia más alto y mas perdurables con el cambio de la velocidad del viento, de hecho, también contribuye la mayor inercia que posee una turbina de 2 MW. La turbina de 10 kW logra su potencia nominal a velocidad mucho más altas, lo que en sí no es algo deseable, ya que lo ideal es que se logre la potencia máxima a la mínima velocidad posible y ésta se mantenga si hay mayor velocidad de viento hasta la velocidad de corte. También entra a tallar acá los diferentes tipos de control para maximizar la captura de la energía cinética del aire.
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El presente post es para mostrar en la figura la curva de potencia que describe una turbina eólica de la marca Vestas modelo V80 de capacidad nominal 2 MW. Potencias cada vez mayores involucra mayores problemas de ingeniería que han tenido para desarrollarlas y construirlas, por lo tanto, desde el instante en que se da la velocidad de arranque hasta la velocidad de corte, muchos componentes de la turbina están sometidos a cargas, vibración, fuerzas de diverso tipo y el mismo hecho de capturar parte de la energía cinética del viento y entregarlo a la red eléctrica. Esta gráfica permite a quienes hacen estudios de comportamiento o performance de una smart grid, micro grid o red de generación distribuida a fin de que según la velocidad del viento se cuantifique la inyección de energía eléctrica desde las turbinas eólicas. Datos de viento en cada vez menos tiempo son los ideales para poder tener una verdadera valoración de la influencia, que tan cortos, pues aquellos en que la inercia de la turbina ya no puede compensar la fluctuaciones de la velocidad del viento.
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En este post muestro el ejemplo que han usado para analizar la performance de un sistema eléctrico que cuenta con un Distribuited Energy Storage (almacenamiento de energía distribuida… o su equivalente en español). Muchos de estos escenarios no han sido construidos porque toda vez, éstos se están recién investigando en el mundo, y lo que se ha podido construir son casos puntuales en que casi a medida del laboratorio, universidad o institución de investigación se han implementado. Observen la cantidad de potencia que está involucrada y a eso apunta el mercado eléctrico, a una implementación masiva de estas soluciones en los mercados nacionales. Cargas eléctricas, barras y elementos de acondicionamiento de energía eléctrica desarrollados con electrónica de potencia son esenciales en estas implementaciones, que me encargo de estudiar y por medio de este blog compartir con la comunidad de habla española y a quienes usan el traductor del blog (en inglés). Si desean hacer sus políticas nacionales o estudios de impacto de las renovables o investigaciones relacionadas mi correo jorgemirez2002@gmail.com
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Las microredes son sistemas eléctricos con capacidades de hasta 10 MVA, lo cual para América Latina es una potencia apreciable, sin embargo, en los estándares mundiales 10 MVA es un pizca energética y para lo cual hay que estar ya desde la formación universitaria acostumbrados a realizar todos los cálculos posibles bajo lo que acarrea en equipamiento ese nivel de potencia. La figura muestra un esquema de configuración de microred de corriente continua – acá nada que ver con la absurda y nostálgica idea de la lucha entre AC y DC, esas cosas son arcaicas y quedaron en el pasado, dado que son las actuales necesidades energética y de distribución las que determinan las decisiones en el mercado eléctrico – podrán ver entre elementos entre baterías electroquímicas, super condensadores, celdas de combustible, cargas eléctricas y una conexión hacia la red eléctrica externa. Hay mucha electrónica de potencia?…. Pero sí y lo hay, y no es que se quiera decir que se necesitan muchos ingenieros electrónicos, se necesitan pero buenos, además, estos sistemas ya tienen cierta madurez y son de fabricación masiva y lo bueno es que tienen todas las herramientas para una operación inteligente, así que evitaremos que las empresas nos vengan con el cuentito de que necesitan mantenimiento cada cierto tiempo – cosa que suele suceder es falso y en algunos equipos bastante absurdo – dado el reporte con que suplen con información al controlador central de la microred. Microredes y sus componentes es lo que ahora investigo mediante modelamiento matemático y simulaciones numéricas con Matlab/Simulink…
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turbine coeficient of power
Usualmente los coeficientes de potencia se obtienen a partir de experimentación en laboratorio (túneles de viento). Se obtienen datos que como se pueden ver en la figura representan cuanta energía capta la turbina de la masa de aire en movimiento que conocemos como viento. Luego, el coeficiente de potencia no es constante, nunca lo es, cambia en función de varios parámetros, así que si leen algún artículo o tesis con el coeficiente de potencia constante, están quemados. El aporte del presente post, era mencionar que con esos datos y siempre que haya cierta regularidad, se puede utilizar el método de los mínimos cuadrados para desarrollar una curva descrita por ecuación exponencial que permita emular el comportamiento encontrado en laboratorio. Tampoco tiene que salir exacto exacto, con cierta aproximación es útil para cálculos. El eje horizontal es la velocidad del viento a partir de 3 m/s que corresponde al valor 1 y llega por lo tanto hasta 15 m/s. El eje vertical son los valores del coeficiente de potencia.
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Existen distintas estrategias de control y distintos modos de operación, que se pueden clasificar en función de su duración en temporales o permanentes. Los modos temporales son aquellos que tienen una duración limitada, estos son: arranque, conexión a red, parada normal y parada de emergencia. Los modos de operación permanente son: máquina parada, pausa y funcionamiento normal, dentro de este último modo existen distintas condiciones dependiendo de factores externos como puede ser la velocidad del viento, la cual influye directamente en la condición de carga del aerogenerador que se clasifica en carga parcial o plena carga. En la figura se puede apreciar un diagrama de flujo lógico entre los distintos modos de operación mencionados anteriormente…. Amén :)D
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El sistema de control es el encargado del automatismo del aerogenerador así como de obtener toda la informaci´no de todo el sistema de generación, componentes de la turbina, condiciones de viento, magnitudes eléctricas como por ejemplo potencia generada hacia la red y demás. Esta información obtenida de sensores y medidores es un elemento esencial para lograr una estrategia de control adecuada, para un aprovechamiento óptimo de los recursos energéticos del viento, el cual se puede entender como una estrategia de máxima potencia, sin dejar de lado las limitantes impuestas por la máquina, las cuales no deben ser superadas si se quiere proteger al aerogenerador.
Este sistema de control es el encargado de elegir el modo de operación del aerogenerador según las condiciones establecidas. En la figura se muestra un ejemplo de un sistema de control, también llamado sistema de supervisión, con todos los sitemas del aerogenerador. Esto se puede (y en parte lo he hecho) en Matlab/Simulink.
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La figura muestra las diferentes etapas y procesos involucrados desde la captura de energía del viento hasta la entrega final de la energía eléctrica a la red externa. La parte de la turbina eólica que lo que procura es capturar la máxima cantidad de energía del viento y convertirla en energía mecánica en movimiento rotacional la cual es adecuadamente manipulada para que sea aprovechada en el generador eléctrico. Pero debido a lo variable que es el viento, las RPM que se tiene en el eje con cambiantes y así mismo la carga eléctrica conectada que induce contratorques aleatorios en el generador, por lo tanto, en ese aspecto entra sistemas de control y supervisión que permiten en primer lugar asegurar el suministro de energía, luego disponerla de una manera que cumpla la normativa de calidad eléctrica. En el caso de Perú, el despacho desde parques eólicos tiene prioridad y es por ello que se cuida mucho que la potencia generada por las turbinas no sea apreciable ya que el resto del mercado funciona al mínimo costo por medio de comportamiento determinísticos y planificados del mando y operación de las centrales eléctricas del sistema.
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Si miramos una turbina eólica como un sistema a analizar desde el punto de vista de la teoría de control encontramos que esta tiene variables de entrada y de salida. Entre las entradas esta la geometría del rotor; también aquellas que tienen que ver con las variables de estado de la máquina como son la velocidad angular, el ángulo de ataque y la orientación de la turbina; también la entrada de energía que viene a ser la medición de la velocidad de viento multiplicada en el software por el área que cubre el rotor en su movimiento. Las variables de salida que interesan en primer lugar son la potencia y el torque. Esto es una descripción sólo de la turbina eólica. Interesante y como pueden ver en otros post en este blog hay modelos que he hecho de la potencia y alguno por ahí en que calculo el torque resultante, hecho en Matlab/Simulink…
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En la figura se muestra los principales componentes de una turbina eólica. Todos estos mecanismos se pueden observar ya en diseños pequeños aerogeneradores de buen diseño y mucho más en los grandes aerogeneradores. La figura va más en el sentido de los grandes aerogeneradores, estudiarlos implica adentrarse dentro de más ingeniería con problemas en desarrollo y en constante mejora de tecnologías. Están los álabes los cuales capturan parte de la energía contenida en el viento y lo llevan al mecanismo de transmisión, el que por medio de un sistema de engranajes la potencia mecánica es conducida al eje del generador eléctrico. En el mismo eje del generador eléctrico se conecta un freno. Adicional a esto esta el sistema de giro de toda la góndola para que la turbina siempre haga frente al viento. Un sistema de medición de dirección y velocidad del viento se coloca también y constantemente envía información al sistema de control. He hecho modelos de turbinas eólicas y sus curvas de potencia… pronto lo pondré a la venta desde los modelos más básicos hasta los más avanzandos, todos estos hechos en Matlab/Simulink para que puedan comenzar haciendo sus estudios e investigaciones de la mejor manera posible.
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La figura muestra los principales componentes de un parque eólico. Un parque eólico está compuesto por varios aerogeneradores todos o conectados a un mismo transformador o conectado en grupos (cuando la geografía lo permite) a un transformador y estos conectados en paralelo hacia la red eléctrica nacional. Entran a tallar varias variables algunas definidas desde el hardward instalado y otros de mediciones que se hacen de las variables medioambientales y de funcionamiento de la red en el mismo sitio. Las características del viento es un dato importante y que constantemente la dirección y el valor de la velocidad de viento retroalimentan constamente al sistema de control representado por la unidad controladora (Unit Controller). El flujo de información y toma de decisiones al interior del parque eólico se visualiza entre los diferentes equipos que sirven en la producción, adecuación de la energía producida y la interacción con la red eléctrica nacional, en donde existe un ambiente que viene a ser el sistema de supervisor (Supervisory Control Room). Todos estos elementos envuelven muchos temas de estudio y una de las posibilidades que permite la computación ahora es realizar procesos de modelamiento y simulación de estos sistemas… en lo personal lo hago usando Matlab/Simulink
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La figura muestra como era las perspectivas de mercado en energías renovables en los países de la Unión Europea durante el año 2011, en ello se puede ver la repartición según porcentaje reflejo de las potencias involucradas. Si juntamos los valores de Alemania, Reino Unido y España es casi el 50%. Si juntamos las potencias de Alemania, Reino Unido, España, Italia, Francia y Suecia (todos ellos países considerados desarrollados y con un alto nivel de calidad de vida) es casi el 75% del mercado europeo. Las consideraciones son muchas para tal desarrollo partiendo en que cuando hacen sus cálculos consideran todos los elementos desde la parte de dinero involucrado, cuestiones ambientales, no emisión de carbono producto de un mayor nivel de conciencia y compromiso medioambiental y el desarrollo de las tecnologías por parte de sus empresas (y que al final el resto del mundo las compramos porque no nos queda otra y nos tenemos que ajustar a calcular bajo un mediocre criterio técnico/económico dado que por lo general tanto gobiernos como universidades/centros de investigación tienen el concepto de ser incapaces de aportar al desarrollo de las energías renovables creando software o harware para el mismo)
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El año 2011 es un año interesante para ver como va la implementación de las energías renovables a nivel mundial y volumen de las potencias involucradas, en especial, frente a realidades como lo son África, América Latina, Centro América y Antillas. El abastecimiento de energía depende de la economía y el grado de desarrollo de un país, o en inversa, la producción por parte de grandes industrias y medianas industrias involucra mayor necesidad de energía eléctrica. En la figura que muestra sólo el año 2011 y a la fecha han pasado ya varios años y las potencias en cada país ha cambiado, llama la atención Alemania y la potencia implementada que hace añicos a varios países y es que como economía: la calidad, puntualidad, esmero, alta tecnología, innovación, alto nivel educativo, eficiencia entre otras virtudes vertidas en un sin fin de productos de poca, media y alta tecnología… siempre hay mercado para tales mercancías…
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Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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Enlace Parte 1: https://youtu.be/4k7BPpdO_H0
Enlace Parte 2: https://youtu.be/St4dRPdZG_k
Comparto con Uds. la presente filmación de la conferencia organizada por la Rama Estudiantil de la IEEE – Sociedad de Potencia de la Universidad Nacional de Ingeniería en Lima, Perú, y con el agradecimiento de las personas todas desde antes hasta la fecha que hicieron posible esto…
Atte: Jorge Mírez – UNI – PERU
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En el año 2009 se inició unos estudios para determinar cuál es la capacidad de inyección de energía eléctrica proveniente de centrales eólicas y el gráfico es el resumen del mismo. A nivel nacional en Perú se tiene determinadas barras que son nodos importantes en el sistema eléctrico nacional, cada uno tiene una determinada capacidad de soporte de energía eólica. Sin embargo, hay que considerar que países como Dinamarca han logrado abastecerse con el 100% de energía proveniente desde centrales eólicas e incluso 150% han logrado y ha sido exportado hacia otros países. Pero claro es país con un sistema eléctrico grande y en cambio el Perú es un sistema eléctrico débil es decir que no tiene una gran máxima demanda de energía eléctrica, en fin, cuestión a determinar cada año a medida que va creciendo la demanda y generación de energía eléctrica en Perú como lo voy a mostrar en otros post. Esto es trabajo de estadística y si tienen datos estadísticos y desean compartirlos o trabajarlos en conjunto es bienvenido el realizar servicios o trabajar en colaboración.
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La Central Eólica «Talara» ubicada en la parte norte del Perú en la región Piura. La Región Piura tiene al interior una gran superficie desértica, principalmente dedicada a la producción de fosfatos (El Perú: Un Mendigo sentado en un banco de Oro… no crea tecnologías ni valor agregado a sus productos, sólo es un Pobre país conformista que vende sólo materias primas). Y bueno el emplazamiento esta en la misma ciudad y es que el aire proveniente del mar asciende por la ciudad la cual es asienta en una pendiente encantadora y que desde la parte alta se observa incluso las plataformas de extracción de petróleo. La Central Eólica «Talara» complementa con generación a la parte norte del Perú que actualmente sufre una desabastecimiento de energía debido al crecimiento de la economía, además que su principal fuente de alimentación es la generación en la zona central del Perú, por lo tanto, la línea de transmisión hacia el Norte se satura, y para compensar ello se encienden centrales eléctricas para compensar la caída de tensión y brindar parte del suministro… incluso se llegó a importar energía eléctrica desde Ecuador. Para quienes puedan visiten Talara, aparte de la buena comida esta ahora la central eólica. Conozco Talara cuando hace algunos años fui invitado a dar clases de Matemática Aplicada usando Matlab/Simulink para un programa de postgrado Maestría en Ingeniería de Petróleo que fue dictada por la Universidad Nacional de Ingeniería en cercanías de Talara… acá toda la matemática superior de ingeniería fue dictada usando códigos y ejemplos.
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La figura muestra en porcentajes como se distribuyen los costos de un aerogenerador de media potencia. La torre, las palas y el tren de potencia son los más caros. Implica materiales cada vez más sofisticados a medida que se incrementa la potencia instalada en el generador eléctrico. Los aerogeneradores son elementos costosos pero a la vez implica un adecuado uso de los recursos disponibles en zonas que tienen alta disponibilidad de viento. Pero el recurso primo no se agota y mientras más aerogeneradores se instalan es mucho mejor, entre ellos compensan variaciones de la generación, así mismo, si existe un sobrante puede haber métodos de uso rápido como sistemas de almacenamiento de agua, térmica o magnética, hasta generación de hidrógeno como parte de un adecuado uso de la energía producida.
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Datos Generales
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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