MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO

José Galarza Linares MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO Sistemas de Energía Eólica I José Galarza Linares

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO SISTEMAS DE ENERGÍA EÓLICA I

José Galarza LinaresMANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO SISTEMAS DE ENERGÍA EÓLICA I

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIOSISTEMAS DE ENERGÍA EÓLICA IAutor-Editor:©José Galarza LinaresAv. Mariscal Castilla N°3909 El [email protected] – PerúColaborador: FotografíasDavid Palomino PérezPrimera Edición digital, noviembre 2018ISBN: 978-612-00-3946-5Libro Electrónico disponible en:https://electrical-engineering-uncp.blogspot.com/DERECHOS RESERVADOS: Decreto Legislativo N°822Prohibida la reproducción de este libro por cualquier medio, total oparcialmente sin permiso expreso del autor.

Contenido1.PRÁCTICA DE LABORATORIO N°01: PáginaReconocimiento del sistema eólico tipo túnel de viento. 72.PRÁCTICA DE LABORATORIO N°02: 11Sistema de medición de velocidad en el aerogenerador.3.PRÁCTICA DE LABORATORIO N°03: 14Sistema de medición bajo carga variable en elaerogenerador.4.PRÁCTICA DE LABORATORIO N°04: 17Modificación del ángulo de inclinación del aerogenerador.5.PRÁCTICA DE LABORATORIO N°05: 19Funcionamiento del aerogenerador con un número de palasvariable.

INTRODUCCIÓNEl presente manual de Laboratorio corresponde a las Prácticas de Laboratorio deSistemas de Energía Eólica desarrollados en la Facultad de Ingeniería Eléctrica yElectrónica de la Universidad Nacional del Centro del Perú. Este documentobrindará un nivel de conocimiento experimental básico al estudiante de la carrerade Ingeniería Eléctrica correspondiente al tema de Energía Eólica. El documentoestá organizado a través de los siguientes aspectos que se desarrollaran en cadapráctica de laboratorio: SECCIÓN DE TEORÍA Y CONCEPTOS PREVIOS, estádestinada a los temas que deberá desarrollar el alumno a través del Pre-Informeesto permitirá investigar y recordar los conceptos teóricos necesarios que debe deconocer antes de realizar el experimento, SECCIÓN EXPERIMENTAL, estáenfocada en la descripción del sistema experimental y el proceso de lectura demediciones que debe realizar el alumno a través de un Informe preliminar en dondedebe de plasmar la descripción técnica de los equipos utilizados y las medicionescorrespondientes, esta sección está organizada a través de cuadros y tablasdesarrollados convenientemente para anotar las mediciones, finalmente laSECCIÓN DE CUESTIONARIO Y ACTIVIDADES COMPLEMENTARIASdonde el alumno realizará un informe final que contemple las secciones anterioresincluyendo el análisis experimental a través de curvas y/o manipulación estadística,adicionalmente se incluirán anexos, fotografías, entre otros aspectos para eldesarrollo integral de la práctica de laboratorio.

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR01 Reconocimiento del sistema eólico tipo túnel de viento1.1. TEORÍA Y CONCEPTOS PREVIOS: ▪ Componentes eléctricos, electrónicos, mecánicos y otros de un aerogenerador (AG). ▪ Principio de funcionamiento de una instalación eólica, aspectos eléctricos, mecánicos, instalaciones eléctricas, configuraciones de redes, entre otros.1.2. OBJETIVOS: ▪ Entender el funcionamiento de la instalación experimental DL-WIND-B (túnel de viento) para la simulación del sistema eólico. ▪ Conocer los equipos básicos, sistemas de medición y control de la instalación eólica.1.3. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL: El sistema en estudio se representa en la Figura 1. Se trata de simular la instalación de un AG, un extremo contiene el aerogenerador incluido el sistema de palas y el otro extremo el sistema de generación de viento (ventilador).MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 7 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR01 Figura 1: Sistema de túnel de viento DL-WIND-B Fuente: Laboratorio de Energías Renovables FIEE-UNCPEn esta práctica se utilizará el sistema de túnel de viento denominado DL-WIND-B. A continuación, se resume las especificaciones técnicas de losequipos que conforman el sistema experimental:a) Túnel de viento: Este dispositivo es usado para estudiar la tendencia del aire en un cuerpo, es posible medir parámetros de velocidad, presión y temperatura.b) Ventilador: El sistema simula el nivel de viento generado por un ventilador controlado por un variador de velocidad. (1HP 1400 RPM 60cm)c) Panal y flujo laminar: El objetivo es eliminar las componentes de flujo normal a las paredes y dirigir el flujo en dirección al eje. De esta forma se compensa la falta de uniformidad transversal del flujo debido a las aspas del ventilador.d) Aerogenerador: Sistema de palas-máquina eléctrica. Vsalida_media=12 V DC (0-36 V DC), Velocidad_min=3m/s, Velocidad_nominal=12m/s, Pmedia=40kW, (Pmax=60kW), Ángulo_inclinación=[-30,30°]MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 8 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR01e) Anemómetro: Mide la velocidad del viento suministrando una salida de tensión proporcional a dicho valor (0-5 V DC), este equipo podrá utilizarse al interior o exterior del túnel de viento.f) Fuente de alimentación y control: Este sistema está constituido por un panel de medición, una carga variable y el variador de velocidad.La Figura 2 muestra la fuente de alimentación y el circuito de control, esteequipo tiene incorporado el variador de frecuencia para conectar al motorencargado de hacer girar a un ventilador, los sistemas de medición develocidad del viento, tensión y corriente son visualizados a través de displayluminosos. Figura 2: Fuente de alimentación y sistema de control correspondiente al DL-WIND-B Fuente: Laboratorio de Energías Renovables FIEE-UNCP1.4. APLICACIÓN PRÁCTICA:▪ Realice el reconocimiento de equipos de la instalación para el uso del DL- WIND-B (Figura 1 y 2). Identifique los componentes descritos anteriormente.▪ Verifique las conexiones de seguridad de la rejilla de protección, acceda a la parte frontal del aerogenerador y manipule el sistema de orientación del generador y el ensamblado de las palas haciendo uso de llaves hexagonales y/o destornilladores.▪ Verifique la entrada lateral de túnel de viento, manipule la conexión del anemómetro interno, y retire este para su instalación externa. La Figura 1a muestra un anemómetro auxiliar ajeno al DL-WIND-B.MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 9 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR011.5. CUESTIONARIO Y ACTIVIDADES:▪ Identifique y compare las partes de una instalación eólica real y el DL-WIND- B.▪ Justifique la función del panal laminar que tiene la instalación, ¿Qué semejanza se tiene con una instalación real? ¿Por qué?▪ Detalle las ventajas de usar el sistema tipo túnel de viento.▪ Detalle los inconvenientes presentados durante la prueba experimental.MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 10 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR02Sistema de medición de velocidad en el aerogenerador1.1.TEORÍA Y CONCEPTOS PREVIOS: ▪ Aerodinámica básica en el AG. ▪ Funcionamiento en vacío y bajo carga del AG. ▪ Clasificación de AG según el tipo de máquina eléctrica. ▪ Instrumentos para medición de viento usados en el AG.1.2. OBJETIVOS: ▪ Comprender el comportamiento del aire en una instalación eólica (aerodinámica) y comprender la diferencia respecto a una instalación real. ▪ Analizar el comportamiento del sistema eólico bajo las condiciones de carga establecidas.1.3. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL: El sistema en estudio es el DL-WIND-B, corresponde utilizar el túnel de viento y el sistema de fuente de alimentación y control.1.4. APLICACIÓN PRÁCTICA: La prueba tiene la configuración con anemómetro interno y externo. En ambas configuraciones se realizará la medición de tensión/velocidad en el AG para diferentes niveles de velocidad del aerogenerador, dependiendo íntegramente de la velocidad del ventilador, las pruebas se realizarán en vacío.MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 11 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR02▪ Conectar cada una de las fases del motor al variador de velocidad (L1, L2 y L3), realizar de igual forma la conexión del sistema de tierra. Este equipo tiene incorporado cables de conexión color negro para las fases y un cable color verde para la conexión de tierra. Fácilmente el estudiante se guiará con los colores de las borneras.▪ Conectar el anemómetro al terminal correspondiente en el sistema de control, debajo de la señalización de anemómetro.▪ Conectar el sistema de alimentación para el panel de mediciones, las terminales se encuentran atrás del sistema de control.▪ Encender el variador de velocidad con el botón RUN de color verde, si es necesario se realizarán las configuraciones de los parámetros a través de los botones PRG-RESET y FUNC-DATA.▪ Ahora podrá regularse la velocidad del sistema de ventilación a través de la perlilla que considera 12 niveles.Tomar lectura de los parámetros de velocidad/tensión para diferentesniveles de viento para las configuraciones de anemómetro interno y externo.Completar el siguiente cuadro:Nivel Anemómetro Interno Anemómetro Externodeviento Velocidad Tensión Velocidad Tensión (km/h) (V) (km/h) (V)25%50%75%100%▪ La información registrada en el sistema de control (tensión y corriente en el aerogenerador, velocidad (km/h) del viento) se pueden visualizar a través del panel de mediciones (displays) u obtenerlos a través de los mini- terminales en forma analógica.MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 12 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR021.5. CUESTIONARIO Y ACTIVIDADES:▪ Detalle las características técnicas de los equipos utilizados en la práctica.▪ ¿Por qué se presenta diferencia entre las lecturas con las configuraciones de anemómetro interno y externo?▪ En una instalación real, ¿dónde se ubica el anemómetro? ¿Por qué?▪ Analice las curvas Velocidad vs Tensión. Analice el comportamiento de estas curvas. Si es necesario utilice un sistema de registro tipo datalogger para obtener más datos.▪ Detalle los inconvenientes presentados durante la prueba experimental.MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 13 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR03Sistema de medición bajo carga variable en el aerogenerador.1.1.TEORÍA Y CONCEPTOS PREVIOS: ▪ Comportamiento bajo carga del AG. ▪ Curvas características de máquinas AC. ▪ Modelado de tipo de cargas en un sistema eléctrico.1.2. OBJETIVOS: ▪ Comprender el funcionamiento del AG bajo carga. ▪ Analizar efecto de la carga sobre la velocidad del AG.1.3. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL: El sistema en estudio es el DL-WIND-B. Este sistema tiene incorporado un sistema de carga variable a través de un sistema tipo selector como se muestra en la Figura 2, este selector presenta 6 etapas de carga, esta prueba tiene las opciones de anemómetro interno o externo.1.4. APLICACIÓN PRÁCTICA: Para esta práctica, referirse a las conexiones explicada en la práctica N°02 para el motor y variador de velocidad. Ahora esta prueba se deberá de realizar para una velocidad en específico, se recomienda usar una velocidad para el cual no se detenga el AG en caso de carga máxima. ▪ Teniendo la conexión del ventilador y el variador de frecuencia, se procederá a conectar los instrumentos de medición (voltímetro y amperímetro) a las terminales loads del sistema de control (Ver Figura 2).MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 14 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR03Para estas conexiones el equipo cuenta con cables para conexión de estasmini borneras.Como ejemplo para una velocidad promedio de 16km/h registre lassiguientes lecturas: Velocidad Aero: 16 km/hNivel de Tensión Corriente Velocidad del (A) viento (km/h)carga (V)Sec_0Sec_1Sec_2Sec_3Sec_4Sec_5Sec_6Con una velocidad promedio de 30 km/h registre las siguientes lecturas: Velocidad Aero: 30 km/hNivel de Tensión Corriente Velocidad del (A) viento (km/h)carga (V)Sec_0Sec_1Sec_2Sec_3Sec_4Sec_5Sec_6MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 15 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR031.5. CUESTIONARIO Y ACTIVIDADES: ▪Explicar el fenómeno de efecto de carga en una instalación real. ▪Explicar el efecto de frenado provocado por la carga en el AG. ▪¿Cómo influencia el tipo de carga en el comportamiento del aerogenerador? ▪Detalle los inconvenientes presentados durante la prueba experimental.MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 16 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR04 Modificación del ángulo de inclinación del aerogenerador1.1.TEORÍA Y CONCEPTOS PREVIOS: ▪ Operación y control del sistema de freno en un AG real. ▪ Sistema de posicionamiento de la góndola. ▪ Análisis de la aerodinámica básica en función de la posición de la góndola1.2. OBJETIVOS: ▪ Comprender el efecto del cambio de inclinación en el AG. ▪ Evaluar la relación entre rendimiento e inclinación del AG.1.3. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL: El sistema en estudio pertenece al DL-WIND-B. Este sistema como se muestra en la Figura 1a, tiene unas rejillas de protección, para esta práctica se deberá manipular esta para poder acceder al interior del túnel de viento. Adicionalmente se deberá usar llaves hexagonales para poder reubicar convenientemente el AG, esta variación permite orientar la máquina desde -30° hasta 30°, por defecto las demás pruebas se realizaron a 0°.1.4. APLICACIÓN PRÁCTICA: Para esta práctica, referirse a las conexiones explicada en la práctica N°02 para el motor y variador de velocidad. Ahora esta prueba se podrá realizar en vacío o bajo cierto nivel de carga, se recomienda empezar por la prueba en vacío.MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 17 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR04▪ Desmontar la rejilla de protección del AG (destornillar manualmente en ambos lados).▪ Teniendo accesible la parte posterior del AG, manipular convenientemente usando la llave hexagonal y definir un ángulo de posicionamiento del aero, tener precaución del ajuste en la nueva posición, debido a que se incidirá una velocidad de viento considerable sobre las palas.▪ Colocar la rejilla en la posición inicial y asegurarse de tener los tornillos laterales correctamente instalados.Con una velocidad promedio de 11 km/h registre las siguientes lecturas yevaluar el rendimiento entre las mediciones obtenidas. Es recomendableusar una velocidad apropiada, para que el aerogenerador no esté paradopara los ángulos 30° y -30°Inclinación Tensión (V) Velocidad del viento (km/h)30°20°10°0°-10°-20°-30°1.5. CUESTIONARIO Y APLICACIONES:▪ ¿Por qué se utilizado la inclinación del AG?▪ ¿A qué se debe el cambio de voltaje y velocidad en el AG?▪ ¿Cuáles son los sistemas de frenado que existe en un AG real?▪ El sistema de ángulo de inclinación se utiliza en una instalación real. ¿Por qué?▪ Detalle los inconvenientes presentados durante la prueba experimental.MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 18 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR05Funcionamiento del aerogenerador con un número de palas variable.1.1.TEORÍA Y CONCEPTOS PREVIOS: ▪ Clasificación de AG según número de palas. ▪ Curvas de eficiencia y límite de Betz. ▪ Aerodinámica básica y tipos de palas. ▪ Coeficiente de potencia y relación de velocidad TSP.1.2. OBJETIVOS: ▪ Comprender el efecto del cambio del # de palas en el AG. ▪ Analizar la eficiencia de un AG en función de las curvas Cp-landa.1.3. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL: El sistema en estudio pertenece al DL-WIND-B. Este sistema como se muestra en la Figura 1a, cuenta con 6 palas de igual diseño. Para acceder a estas, referirse a las indicaciones de la Practica N°04 para acceder al AG a través de la rejilla de protección. Se deberá usar llaves hexagonales y desarmadores para desmontar cada una de las palas del aerogenerador. Si fuese el caso, también es posible ensamblar los nuevos tipos de palas, se recomienda verificar las terminales de conexión para tener en cuenta en el diseño 3D de las mismas.1.4. APLICACIÓN PRÁCTICA: Para esta práctica, referirse a las conexiones explicada en la práctica N°02 para el motor y variador de velocidad. Ahora esta prueba se podrá realizarMPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 19 de 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICALaboratorio de Energías Renovables MPL – Sistemas de Energía Eólica I MPL-SEO-PR05 en vacío o bajo cierto nivel de carga, se recomienda empezar por la prueba en vacío. ▪ Desmontar la rejilla de protección del AG (destornillar manualmente en ambos lados). ▪ Destornillar cada una de las palas del aerogenerador, dependiendo del caso, cambiar el número de palas o montar un nuevo diseño. El sistema puede ser evaluado en vacío y bajo carga. Se procederá a realizar la lectura según la siguiente tabla.Nivel 1 pala 2 palas 3 palas 4 palas de Velocidad Tensión Velocidad Tensión Velocidad Tensión Velocidad Tensiónviento (km/h) (V) (km/h) (V) (km/h) (V) (km/h) (V)25%50%75%100%1.1.CUESTIONARIO Y ACTIVIDADES:▪ ¿Qué efecto se produce en el AG por el # de palas variable?▪ ¿Por qué los sistemas convencionales utilizan un sistema de tres palas?▪ ¿En qué tipo de instalaciones se usaría un sistema diferente a tres palas? ¿Por qué?▪ ¿Qué tipo de AG comerciales usan un sistema diferente a tres palas? ¿Por qué?▪ Determinar experimentalmente el coeficiente de potencia y la relación de velocidad TSP▪ Detalle los inconvenientes presentados durante la prueba experimental.MPL – Sistemas de Energía Eólica I Página 20 de 21

BIBLIOGRAFÍA:[1] Entrenador de Energía Eólica con Túnel de Viento: DL WIND-B. (2014) DELORENZO SPA.[2] Sistema Híbrido para el estudio de la energía solar y eólica DL SUN-WIND24V.(2016) Descripción y manual práctico.[3] Steca Solarix: Manual de uso.[4] AIR 40 Manual del Usuario (2013) Primus Wind Power.