Energía Eolica Lic. Noe Rivera

7/25/2019 Energa Eolica Lic. Noe Rivera

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GENERACIN DEGENERACIN DE

ELECTRICIDAD AELECTRICIDAD APEQUEA ESCALAPEQUEA ESCALA

CON ENERGACON ENERGAELICAELICA


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ndice de Temasndice de Temas

11 Conceptos GeneralesConceptos Generales

22 Recursos ElicosRecursos Elicos

33 ComponentesComponentes44 Diseo de SistemaDiseo de Sistema


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Qu es energarenovable?

Son fuentes energticas que estan siempre presentesen la naturalea ! son en principio ine"tingui#les$

%ue est&n a disposicin del 'om#re ! que ste escapa de apro(ec'ar ! transformar en energ)a *tilpara satisfacer sus necesidades$

CONCEPTOS GENERALESCONCEPTOS GENERALES1.01.0 DefinicionesDefiniciones

+%u es energ)a,

Capacidad paraproducir tra#a-o


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Desarrollo sostenible:

.n nue(o sendero de progreso que permite satisfacerlas necesidades ! aspiraciones del presente sincomprometer la capacidad de las futuras generacionesde satisfacer sus propias necesidades$

Progreso:

Crecimiento econmico/ ele(acin de la calidad de la

(ida ! el #ienestar social/ sin agotar la #ase derecursos naturales


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.n molino0Es una m&quina que transforma el (iento en

energ)a apro(ec'a#le/ que pro(iene de la accin dela fuera del (iento so#re unas aspas o#licuasunidas a un e-e com*n$ El e-e giratorio puedeconectarse a (arios tipos de maquinaria para moler

grano/ #om#ear agua o generar electricidad$


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1.11.1 HistoriaHistoria

Molino Persa 600 AC,

utilizado para molergrano.

El rotor estabaformado por 6 a 8

palas de madera unidasa un ee central


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Durante las edadesDurante las edadesmedia ! moderna semedia ! moderna sedesarrollan nue(osdesarrollan nue(ostipos de molinos detipos de molinos dee-e 'oriontal$e-e 'oriontal$

olino 'olandsolino 'olandsutiliado parautiliado para

drena-e ! molienda$drena-e ! molienda$


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Segunda mitad delSegunda mitad delsiglosiglo aparecen las aparecen lasprimeras m&quinasprimeras m&quinassuscepti#les de sersuscepti#les de serfa#ricadas en serie$fa#ricadas en serie$

olinos multipalasolinos multipalasacoplados a #om#as deacoplados a #om#as depistn para uso e"clusi(opistn para uso e"clusi(ode #om#eo de agua dede #om#eo de agua depoos$poos$


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En las primeras dcadas del siglo seEn las primeras dcadas del siglo se

esta#lecen las #ases tericas para el diseo de losesta#lecen las #ases tericas para el diseo de losmodernos cargadores elicos$modernos cargadores elicos$

7ou8o9s8! ! Sa#inin en Rusia/ :randtl ! ;et en7ou8o9s8! ! Sa#inin en Rusia/ :randtl ! ;et en

lemania/ Constantin ! Eiffel en 3 como consecuencia de la crisis delpetroleo las m&quinas que apro(ec'an la energ)apetroleo las m&quinas que apro(ec'an la energ)adel (iento e"perimentan un desarrollo nota#le$del (iento e"perimentan un desarrollo nota#le$


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? ! principios de los 5?? ! principios de los 5?aparecen los primeros aerogeneradores de diseoaparecen los primeros aerogeneradores de diseocomercial ! confia#les/ siendo la principalcomercial ! confia#les/ siendo la principaltendencia en su diseo el poco requerimiento detendencia en su diseo el poco requerimiento demantenimiento ! la facilidad de monta-e !mantenimiento ! la facilidad de monta-e !operacin para los usuarios$operacin para los usuarios$

@a energ)a es almacenada en #ater)as para su@a energ)a es almacenada en #ater)as para su

posterior uso$posterior uso$


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@a energ)a generada es usada para accionar@a energ)a generada es usada para accionar

directamente una electro#om#a situada en eldirectamente una electro#om#a situada en ellugar del emplaamiento del poo$lugar del emplaamiento del poo$

@a energ)a generada es in!ectada@a energ)a generada es in!ectadadirectamente a red elctrica/ de tal forma quedirectamente a red elctrica/ de tal forma que

los usuarios pueden (ender energ)a a laslos usuarios pueden (ender energ)a a lascompa)as elctricas/ esto en pa)ses comocompa)as elctricas/ esto en pa)ses comoEE.. ! en Europa donde e"iste una legislacinEE.. ! en Europa donde e"iste una legislacinal respecto$al respecto$


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RECURSOS ELICOSRECURSOS ELICOS El (iento es consecuencia deEl (iento es consecuencia de

la radiacin solar$la radiacin solar$ 2A de la energ)a solar que2A de la energ)a solar que

llega a la tierra se con(iertellega a la tierra se con(ierteen potencial elico$en potencial elico$

@a radiacin solar es@a radiacin solar esa#sor#ida de manera distintaa#sor#ida de manera distintaen los polos que en elen los polos que en elecuador de#ido a la redondeecuador de#ido a la redonde

de nuestro planeta/de nuestro planeta/producindose diferencias deproducindose diferencias detemperaturas$temperaturas$

Se generan as) las corrientesSe generan as) las corrientes

de aire B(ientos$de aire B(ientos$

2.1 Naturaleza del Ve!t"


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2.22.2 #a$a% E&l'"%#a$a% E&l'"%


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#)t"d"% de #ed'&! de la Vel"'dad del Ve!t"#)t"d"% de #ed'&! de la Vel"'dad del Ve!t" Escala de ;eaufortEscala de ;eaufort

Esta#lece (alores de (elocidad de (iento de acuerdo a lasEsta#lece (alores de (elocidad de (iento de acuerdo a lascondiciones am#ientales en mar ! en tierra$condiciones am#ientales en mar ! en tierra$


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#)t"d"% de #ed'&! de la Vel"'dad del Ve!t"#)t"d"% de #ed'&! de la Vel"'dad del Ve!t" Escala de ;eaufort cont$Escala de ;eaufort cont$

Esta#lece (alores de (elocidad de (iento de acuerdo a lasEsta#lece (alores de (elocidad de (iento de acuerdo a lascondiciones am#ientales en mar ! en tierra$condiciones am#ientales en mar ! en tierra$


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#)t"d"% de #ed'&! de la Vel"'dad del Ve!t"#)t"d"% de #ed'&! de la Vel"'dad del Ve!t"

ndice de GRIGG-PUT!"ndice de GRIGG-PUT!"


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AnemmetrosAnemmetros:ermiten mediciones mas precisas! en un ma!or rango de tiempo/esto facilita el tratamiento de datos

con lo cual se o#tienen (aloresrealistas del potencial elico$


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ANEMOMETRO DE COPELASANEMOMETRO DE COPELASEn el anemmetro de copelas se mide la (elocidad deEn el anemmetro de copelas se mide la (elocidad derotacin de una estructura formada por casquetes semiFrotacin de una estructura formada por casquetes semiF

esfricos que giran con respecto a un e-e (ertical por laesfricos que giran con respecto a un e-e (ertical por laaccin del (iento$ En los equipos modernos la (elocidad deaccin del (iento$ En los equipos modernos la (elocidad derotacin de las copelas se mide mediante transductoresrotacin de las copelas se mide mediante transductoreselctricos$elctricos$

VELETASe utilia para medir laSe utilia para medir ladireccin del (iento$direccin del (iento$Est& formada por unaEst& formada por unaplaca plana colocada enplaca plana colocada en

un plano (ertical ! queun plano (ertical ! quegira li#rementegira li#rementeorient&ndose siempreorient&ndose siempreen la direccin delen la direccin del(iento$(iento$


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ediciones de la (elocidad del(iento en la pr&ctica@a me-or forma de medir la (elocidad del(iento en una futura localiacin de unatur#ina elica es situar un anemmetro en

el e"tremo superior de un m&stil quetenga la misma altura que la altura de#u-e esperada de la tur#ina que se (a autiliar$ Esto e(ita la incertidum#re queconlle(a el recalcular la (elocidad del

(iento a una altura diferente$


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+%u m&stil elegir,:ara e(itar el a#rigo de (iento/ en lugar de utiliar torres decelos)a/ normalmente se utilian postes cil)ndricos delgados/tensados con (ientos/ en los que se colocan los mecanismos demedicin del (iento$

El registrador de datos data logger@os datos de las (elocidades ! direccionesdel (iento o#tenidos por el anemmetroson recogidos en un c'ip electrnico enuna pequea computadora/ el registradorde datos data logger/ que puede

funcionar con #ater)a durante un largoper)odo de tiempo$@a fotograf)a muestraun e-emplo de unregistrador de datos$


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Condiciones &rticasSi 'a! muc'as llu(ias 'eladas en la ona o escarc'a enlas montaas/ puede necesitar un anemmetro calentado/que requiere una cone"in a la red elctrica para 'acerfuncionar el calentador$

edias de 1? minutos@as (elocidades del (iento son medidas en medias de 1?minutos para que sea compati#le con la ma!or)a de los

programas est&ndar$


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HE:ERH.R I :RESJK@a energ)a del (iento es proporcional a la densidad del aire$ :or lotanto/ es importante medir la presin del aire ! tam#in latemperatura$

@a densidad del aire esta dada por0


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2.*2.* I!+lue!'a del Terre!"I!+lue!'a del Terre!"2.*.1 Pre%e!'a de O,%t-'ul"%

Produce turbulencia ! atenuaci"n de la #elocidad de #iento.


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$a #elocidad del #iento sufre aceleraci"n cuando atra#iesa cadenasmonta%osas o cuando debe remontar colinas.


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2.*.2 Per+l de Vel"'dade%

Permite conocer la #ariaci"n de #elocidad del #iento a

diferentes alturas del ni#el del terreno. $as fuerzas de rozamiento ! el efecto de frenado son m&s

intensos en las capas 'ue se encuentran en contacto con elterreno.

$a distribuci"n de #elocidades en funci"n de la altura sigueuna distribuci"n de tipo e(ponencial.

)*+)-/*+/

1iendo2 )* la #elocidad de #iento a la altura /*

) la #elocidad de #iento a la altura /.

grado de rugosidad del terreno


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El coeficiente representa el grado de rugosidad delterreno.

TE33E45 rea descubierta 0,*70,97

rea boscosa 0,9:0,6

rea edificada 0,60,8


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5tra relaci"n emp;rica es la siguiente2

)+)*-ln/+


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3estricciones para la siguiente relaci"n emp;rica 2

)+)*-ln/+


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J;SHC.@JS

El (iento de#e medirse en un lugar li#re de o#st&culos$ @os

o#st&culos producen un fenmeno en el cual el (iento adoptacualquier direccin ! (elocidad/ ! no es posi#le corregir cone"actitud la influencia del o#st&culo$ @as mediciones son posi#lessi el anemmetro est& a una altitud ma!or que la del o#st&culo$

J S C JS


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J;SHC.@JS cont$

Si 'a! un o#st&culo con una altura M/ la (elocidad del

(iento de#e medirse a una altura 4M ! por lo menos 1?M detr&sdel o#st&culo/ lo que significa que/ para un o#st&culo de 1?metros/ la torre meteorolgica de#e estar a 4?m de altura/ ! porlo menos 1??m detr&s del o#st&culo$


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2.2. Trata/e!t" de Dat"%Trata/e!t" de Dat"%

2..12..1 D%tr,u'&! de 0re'ue!'a%D%tr,u'&! de 0re'ue!'a%

Permite conocer el nmero de /oras por mes o por a%o 'ueuna determinada #elocidad de #iento ocurre.

1e di#ide el dominio de las #elocidades en tramos de 0,: " *m+s. $uego empezando con el primer inter#alo 0*m+s serealiza un conteo de las ocurrencias de #elocidad registradas'ue est&n dentro del inter#alo considerado.

El #iento no es constante, su #elocidad #ariaconstantemente, entonces /a! 'ue tomar en consideraci"nlas fluctuaciones ! periodos sin #iento cuando se dise%e ! seinstale un sistema e"lico.


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Bistribuci"n de frecuencias de #elocidad t;pica

#

$#

%#

'#

(##

($#

(%#

# $ % & ' (# ($ (%

)elocidad de viento *+,s-

.oras/or+es


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$a #elocidad promedio 45 es necesariamente el #alor masfrecuente.

$a distribuci"n de frecuencias es til para calcular la salidael>ctrica del aerogenerador multiplicando el nmero de/oras de un inter#alo de #elocidad por la potencia 'uealcanza el aerogenerador a dic/a #elocidad.

$a forma de la gr&fica es tambi>n un indicador del r>gimende #iento en la zona. Cuando la cur#a es apro(imadamentesim>trica ! esbelta indica un #alor de #elocidad de #iento

persistente a lo largo del tiempo total considerado, esto

implica un #iento uniforme ! una salida el>ctrica constanteen el aerogenerador.


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Por eemplo, si se desea conocer la probabilidad de 'ue la#elocidad de #iento sea menor a 8m+s, se obser#a en lagr&fica 'ue el nmero de /oras en 'ue la #elocidad es menora 8m+s es 79, dic/o de otra manera, el de tiempo en 'ue

la #elocidad de #iento es menor a 8m+s es de79+D0(*00-:8,8, lo cual e(presado en t>rminos deprobabilidad significa2 P)8m+s-0,:88.

El mismo procedimiento puede aplicarse a los diferentes

inter#alos de #elocidades considerados obteni>ndose unaFunci"n de Bistribuci"n Acumulada F).


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3$1 RJHJR03$1 RJHJR0

tiene como funcin e"traertiene como funcin e"traerla energ)a del (iento$la energ)a del (iento$

transforma la energ)a deltransforma la energ)a del(iento en energ)a elctrica(iento en energ)a elctrica

@os rotores mas comunes@os rotores mas comunesson0son0

F DE E7E MJRNJKH@$F DE E7E MJRNJKH@$&quinas elicas en las cuales el e-e de rotacin es&quinas elicas en las cuales el e-e de rotacin es

paralelo a la direccin del (iento$paralelo a la direccin del (iento$F DE E7E OERHC@$F DE E7E OERHC@$&quinas elicas en las cuales el e-e de rotacin es&quinas elicas en las cuales el e-e de rotacin esperpendicular a la superficie terrestre ! a la direccinperpendicular a la superficie terrestre ! a la direccindel (iento$del (iento$


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Coeficiente de Potencia C!"

E"presa la parte de

energ)a contenida en el(iento que se transformaen energ)a mec&nica en ele-e del rotor$

El coeficiente de potencia

depende de la (elocidadespec)fica como par&metrofundamental/ de lascaracter)sticas geomtricasdel perfil empleado en el

ala#e/ del &ngulo detorsin ! del tipo de rotor$


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Ve#ocidad Es!ec$fica

Se define como la relacin entre la (elocidad tangencialde#ido a la rotacin en el e"tremo mas ale-ado de la pala! la (elocidad del (iento$ Es un par&metro adimensionalque permite clasificar los rotores en lentos o r&pidos$

P RQO

Siendo0 la (elocidad de rotacin del rotor

R el radio del rotor

O es la (elocidad de (iento


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09$ 6U6T5T!3I4 !RR!6TR509$ 6U6T5T!3I4 !RR!6TR5

Arrastre Brag2Arrastre Brag2 Es la fuerza 'ue apareceEs la fuerza 'ue aparece

en un cuerpo ! 'ue tieneen un cuerpo ! 'ue tienela misma direcci"n della misma direcci"n del

fluo de aire.fluo de aire.

1ustentaci"n ! arrastre son las fuerzas 'ue sepresentan cuando se somete un cuerpo frente a unfluo de aire.


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Fuerza de sustentaci"n2Fuerza de sustentaci"n2$ift$ift

Es a'uella fuerzaEs a'uella fuerzaperpendicular a la fuerzaperpendicular a la fuerzadel airedel aire


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Control de potenciaen los aerogeneradores

Ma! algunos aerogeradores que no tienen sistemas decontrolQseguridad de potencia$ En particular losaerogeneradores pequeos donde el costo de materiales esrelati(amente #a-o$ Ma! otros que el sistema de control est&incluido en el controlador$ I para sistemas grandes 'a!algunos sistemas de control como el pitc' controlled o el

stall controlled$

:itc' controlledHam#in llamados por regulacin de &ngulo de paso/ elcontrolador electrnico lle(a un registro de las potenciasentregadas por el aerogenerador/ si la potencia entregada

pasase un (alor nominal el controlador 'ace que el &ngulopor donde se reci#e el (iento cam#ie de posicin lo que'ace que cam#ie el &rea efecti(a por donde pasa el (iento !por lo tanto disminu!e su potencia a#sor#ida/ en el caso quela potencia reci#ida es mu! c'ica se 'ace el procedimientocontrario


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Control de potencia en los aerogeneradores'"!t.'"!t.

Stall controlledDenominados tam#in regulados por perdida de aerodin&mica/las palas del rotor est&n fi-as al e-e/ las palas del rotor 'an sidoaerodin&micamente diseadas de tal manera que a medida queaumenta la (elocidad del (iento se produce paridad de potencia

por tur#ulencias ! as) se regula la potencia generada$

% % &enerador E#'ctrico


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%.% &enerador E#'ctrico

@a funcin del generador es con(ertir la energ)a giratoria delrotor en energ)a elctrica$

@a tecnolog)a m&s difundida en el mundo es la del generadorde imanes permanentes$ :uede operar en un amplio rango de(elocidades ! requiere relati(amente #a-a (elocidad paraalcanar condiciones nominales de operacin$

:ueden ser de rotor a"ial o de rotor cil)ndrico/ !a sea el rotorinterior o e"terior$

@osaerogeneradoresgrandes pueden

utiliargeneradoresas)ncronos generadores de(elocidad (aria#le$

%.( )ater$as


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@a funcin de las #ater)as es de almacenar la energ)aelctrica por periodos cuando no 'a! (iento$

El principal par&metro a tener en cuenta es la

profundidad de descarga$ En sistemas elicos se recomienda el uso de #ater)as

de ciclo profundo$ Estas alcanan ni(eles de descargade 'asta el >?A slo en casos e(entuales/ sus ni(elesde descarga nominales son del ?A$

En sistemas pequeos se utilian ma!ormentecapacidades de 5?F2??'$

@as #ater)as e"perimentan

una continua descarga/ estose conoce como autodescarga(er gr&fico$


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@a capacidad de una #ater)a es la cantidad de energ)a quese le puede dar o reci#ir de ella$ @a unidad de carga es el

amperio 'ora '$ .na #ater)a con 5? ' de capacidadpuede tericamente producir 5 durante 1? 'oras o 2? durante 4 'oras ! as) sucesi(amente$ Si es una #ater)a es de12 O/ esto significa que la cantidad de energ)a es 12 " 1? " 5P =? ' P ?$= 8'$


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El estado de carga es la cantidad de energ)a a*n disponi#leen la #ater)a$ Si el estado de carga es de 3?A en la #ater)aarri#a mencionada/ entonces ?$3 " ?$= 8' P ?$2= 8'est&n a*n disponi#les antes de que la #ater)a se (ac)e$ En lapr&ctica la m&"ima capacidad nunca puede utiliarse$

E-ercicio0@a capacidad de una #ater)a es de 1??'$ Si se utilia un

sistema de 12O/ +cu&nto tiempo podr& permanecerencendida una l&mpara de 2?, Se puede emplear 5?A dela capacidad de la #ater)a$


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@a capacidad depende tam#in del grado de descarga$El grado de descarga est& designado como C/ CQ1? C1?significa que el grado de descarga es el grado que causadescarga completa en 1? 'oras$ .na secuencia de carga ! descarga se llama ciclo$ .nciclo profundo significa que muc'a energ)a 'a sido li#eradadigamos >?A$ .n ciclo superficial significa lo opuesto$@a (ida de la #ater)a est& definida como el n*mero deciclos despus del cual la capacidad total cargada es sloel 5?A de lo que era al principio$


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A#*+nas re*#as de se*+ridaden #a mani!+#acinde ,ater$as

T:roteger los o-os cuando se opera con #ater)as !Qo &cido$T:roteger las manos con guantes de goma cuando

manipulan &cido$T.sar 'erramientas aisladas cuando efect*a cone"iones$T.sar #uena lu cuando tra#a-a conectado !Qo limpiando#ater)as$TKJ fumar donde se cargan #ater)as$

Tantener el lugar de carga de #ater)as #ien (entilado$

% 1R # d E# t i


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%..1Re*+#ador E#ectrnico

:roteccin de #ater)as contraso#recarga$

:roteccin de las #ater)as contradescargas e"cesi(as mediante ladescone"in autom&tica de la carga$

Recone"in autom&tica o manual$ Sistema de alarma por #a-a carga de

#ater)as$ Jtros sistemas m&s sofisticados cumplen

la funcin de ele(ar el (olta-e enreg)menes de (ientos #a-os/ estossistemas lle(an el nom#re comercial depo9er #oost$

@os sistemas electrnicos operan conresistencias o transistores de disipacindump load los cuales consumen laenerg)a producida por la tur#ina cuandolas #ater)as est&n completamentecargadas$

% / nersor


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%../ nersor

.n in(ersor es un dispositi(o que con(ierte lacorriente continua CC a corriente alterna

C$ Se utilian para artefactos querequieren C algunos artefactos o #om#as deagua o para 'acer cone"iones a una red C$

%..% )a#astro d+m! #oad"

.n #alastro se utilia cuando la #ater)aest& llena ! el (iento sigue soplando$Como no es aconse-a#le tener el rotorfuncionando sin carga/ la energ)a de#e

ser en(iada a alg*n lugar$ .n #alastroes simplemente un resistor otransistor de potencia que puedeconce#irse como un calentadorelctrico$

% ( C ,#


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%..( Ca,#esdem&s de la confia#ilidad/ el *nico criterio para escogerca#les es la ca)da de (olta-e$ De#ido a que los sistemassolares ! elicos a pequea escala operan t)picamente a#a-os (olta-es 12 24O los ca#les grandes se requierenpara e(itar grandes prdidas de energ)a ! ca)das en el(olta-e$En un sistema de #a-o (olta-e si el ca#le que es demasiadodelgado0 es una resistencia grande$

Como regla general/ una cantidad raona#le de ca)da de(olta-e es del orden del 6A del dispositi(o de una #ater)a$@a ca)da del (olta-e se calcula f&cilmente con la @e! deJ'm0


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.na torre de un aerogenerador 'a de resistir/ por una parte su propiopeso/ ! por otra/ la presin que el (iento realia so#re la superficie de las'lices ! que tiende a (olcar la m&quina$ parte de esto se de#e tener en

cuenta la resistencia del suelo$

3$ @a torre de soporte

@a funcin de la torre es lle(ar al rotor a una altura donde'a!a (iento suficiente/ es decir/ por encima de loso#st&culos cercanos$ Se utilian com*nmente tres tipos detorre0

T torre tu#ular de aceroT torre tu#ular de acero con tensoresT torre estructural con perfiles de acero


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Torre t+,+#ar.na torre tu#ular consiste en tu#os deacero/ conectados r)gidamente a la #ase/generalmente a un #loque de concreto$

Torre t+,+#ar con tensoresSi la torre tu#ular est& su-eta por tensores

tres o m&s !a no tendr& que ser tanpesada porque los tensores toman fuera$Sin em#argo usar tirante requiere de#loques de concreto e"tra ! m&s espacio$

Torre estr+ct+ra#.na torre estructural consiste enperfiles de fierro o de palos tu#ularesconectados $ :uede ser triangular ocuadrado$


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