1) Una turbina eólica de eje horizontal tiene un diámetro de rotor de 20 [m] y su eficiencia es de un 30 [%] en vientos de 10 [m/s] a 1 atm y 15 ºC.

a. ¿Cuánta potencia puede generar la turbina en las condiciones dadas?

b. Estimar la potencia que podrá generarse si es que la misma turbina eólica se instala en la cima de una montaña de 2500 [m] de altitud. Considerar para esto que las condiciones de viento son similares y que la eficiencia del sistema no es afectada por la diferente densidad del aire.

Densidad del aire= 1,225 kg/m3

P=h.d.g

Presión (2500 mts)=101325 – P,

(Presión a 2500)=101325 – (2500*1,225*9,8)=71312.5

Pa = 0,713 atm.

Presión a 2500 mts = 0,713 atm.

2) Una turbina eólica de tres aspas de 40 [m] de diámetro produce 600 [kW] en un viento de 14 [m/s]. Si la densidad del aire es 1.225 [kg/m3] calcular:

a. La velocidad de giro en rpm del rotor cuando este opera a un TSR de 4

b. ¿Cuál es la velocidad de punta del rotor en este caso?

c. Si se requiere que el generador gire a 1500 rpm; ¿Qué razón de velocidades deberá tener la caja reductora?

d. ¿Cuál será la eficiencia del sistema en estas condiciones?

=

=

3. La turbina eólica Whisper H40 (hoja de datos adjunta) tiene un generador de 460 [W] con aspas de 2.1 [m] de diámetro. Si esta se instala en un área con vientos de velocidad promedio 6 [m/s], estimar la energía suministrada por el sistema en el lapso de un año.

De la hoja de datos adjunta:

A 5.8 (m/s) => 129 kwh/mes

6.3(m/s) => 153 kwh/mes

Interpolando

En un año:

Factores a Considerar al Especificar el Número de Aspas para un Rotor

Los factores que deben considerarse al especificar el número de aspas para un rotor son:

• El efecto en el coeficiente de potencia Cp
• TSR de diseño
• Costo
• Peso del sistema
• Dinámica estructural

Control de Sistemas Eólicos

En resumen, varios métodos pueden usarse para controlar los sistemas eólicos.

• Control de yaw y tilt de forma de mover el sistema fuera del viento en caso de condiciones extremas
• Control de pitch de forma de cambiar el Angulo de las aspas a fin de regular la velocidad
• Control de stall de forma de mover las aspas a una posición en que aumente las perdidas aerodinámicas en condiciones extremas

Rotores de Dos y Tres Aspas

Rotores de tres aspas son comúnmente usados en europa.

• Tienen como ventajas un mayor Cp y producen en promedio un 5% mas potencia que rotores de dos aspas.
• Por otro lado los rotores de dos aspas tienen la ventaja de menor costo y simplicidad de instalación.
• Por otro lado requieren mayor velocidad rotacional para lograr la misma potencia.
• Otra desventaja de los diseños de dos aspas es su mayor contaminación acústica y visual.

Orientación del Rotor

Para capturar la energía eólica existen dos posibles orientaciones para el rotor:

• A favor del viento
• En contra del viento

La orientación en contra del viento tiene como ventajas de producir mayor potencia y elimina el problema asociado a la sombra de la torre.

Esto tiene además las ventajas de producir menor ruido, menor fatiga en las aspas y operación mas suave.

Por otro lado orientar el rotor a favor del viento tiene como ventaja el alejar las aspas de la torre.

Eje Vertical u Horizontal

En la actualidad la mayor parte de los generadores eólicos son construidos usando un eje horizontal.

Sin embargo el uso de turbinas de eje vertical como la maquina de Darrieus tiene varias ventajas:

• Es omnidireccional, no requiere de mecanismo de orientación
• Su disposición vertical facilita la instalación de la caja reductora

Las desventajas de la maquina de Darrieus son:

• Requiere de vientos para mantenerla en posición
• No es posible ajustar el pitch de sus aspas dificultando la operación en altas velocidades de viento

Celdas Fotovoltaicas (PV)

El proceso físico en una celda PV es muy similar a la operación de un diodo con juntura p-n

• Cuando la luz es absorbida por la juntura, la energía contenida en los fotones es transferida al sistema de electrones en el material
• Resultando en la creación de portadores de carga, los que se separan en la juntura (electrones y huecos)

La presencia de los portadores de carga a ambos lados de la juntura generan un gradiente de potencial a través de esta.

• Debido a esta diferencia de potencial los portadores de carga se aceleran y pueden circular por el circuito conectado a la celda PV.
• La energía convertida a electricidad esta dada por la corriente al cuadrado por la resistencia del circuito externo.
• La energía del fotón que no es convertida a electricidad por otro lado se transforma en calor

Curvas Características de Celdas PV

Las características eléctricas de un panel PV se representan mediante dos curvas características I-V y P-V

• La curva I-V muestra el comportamiento de la tensión en los terminales del panel en función de la corriente de carga.
• La curva P-V por otro lado indica la potencia que genera el panel solar en función de la tensión en terminales

Tecnologías de Celdas PV

• Silicio mono-cristal
• Silicio policristalino y semicristalino
• Celda de película delgada
• Silicio Amorfo
• Celda solar concentradora
• Celda multi-juntura

Métodos de Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT)

Método de Ascenso/Perturbar y Observar

La estrategia detrás de este método de seguimiento del punto de máxima potencia es sencilla.

• Partiendo de un punto de operación dado
• Alterar el punto de operación, cambiando levemente el ciclo de trabajo del convertidor
• Verificar si la potencia entregada aumenta o disminuye
• Modificar el punto de operación nuevamente para obtener mayor potencia

Método de Voltaje Parcial de Circuito Abierto

El método de seguir el punto de máxima potencia se basa en el hecho de que en la mayor parte de los paneles solares existe una relación casi lineal entre el voltaje de máxima potencia y el voltaje de circuito abierto.

Componentes de un Sistema Solar

Un sistema solar esta compuesto de:

• Paneles solares
• Regulador de carga
• Banco de baterías
• Banco de resistencias
• Acondicionador de potencia

Celdas de Combustible

¿Qué es una Celda de Combustible?

Una celda de combustible es un elemento de conversión electroquímica de energía.

En ella se combinan hidrogeno y oxigeno en la presencia de un electrolito para generar electricidad y agua.

Pros y Contras de las Celdas de Combustible

Pros

• Alta eficiencia (46-70%)
• Bajas emisiones
• Fácil mantención
• Pocas partes móviles
• Bajo ruido
• Generación distribuida con cogeneración

Contras

• Ciclo de vida útil desconocido
• Perdida de eficiencia en el tiempo
• Mayor costo de inversión
• Tecnología emergente
• Pocos proveedores
• Ausencia de red de distribución de combustible

Celdas de Combustible PEM

Una celda de combustible PEM es capaz de generar electricidad en forma directa por medio de dos reacciones electroquímicas en el ánodo y cátodo a bajas temperaturas (<80° C).

Ventajas y Desventajas de las Celdas PEM

Ventajas

• Diseño compacto
• Larga vida útil
• Rápida puesta en marcha (pocos minutos)
• Baja temperatura de operación (<80 oC)
• Alta eficiencia (46%)

Desventajas

• Alto costo de fabricación
• Requiere de hidrogeno puro para operar
• Almacenamiento del combustible

Turbinas Hidráulicas

Las turbinas Kaplan y Francis son turbinas de “reacción” pues producen una caída en la presión estática entre su entrada y salida.

La turbina Pelton en tanto es del tipo “acción” ya que la presión en su entrada y salida se mantiene.

Biodigestor

El biodigestor se instala habitualmente bajo tierra, esto ya que la temperatura bajo la superficie es usualmente mayor además de sufrir pocas variaciones durante el año.

El pozo para el biodigestor se construye en forma cilíndrica con una profundidad de 20 a 30 cm menor que la del digestor.