Metodos de Sincronizacion y Formas de Generacion

METODOS DE SINCRONIZACION Y FORMAS DE GENERACION

CONDICIONES PARA SINCRONIZAR GENERADORES

1. Voltaje. La primera condición significa que la tensión de la máquina entrante debe ser exactamente igual a la tensión de la línea.

Si la tensión final de la máquina entrante es mayor o menor que la tensión de la línea, resulta una onda instantánea de corriente de la conexión de la nueva máquina, que origina subsecuentemente una corriente circulante por el arrollamiento de la armadura de la máquina, las barras colectoras, y los otros generadores que alimentan la línea. Los voltajes en bornes de cada generador deben coincidir con la barra de carga, es decir los valores de voltaje eficaz deben concordar y existir concordancia de fases.En la figura 3, se aprecia que los voltajes Va, VG1a y VG2a deben coincidir en igual valor para que S1 cierre, una diferencia entre VG1a y VG2a produce la motorización del generador que tenga menor voltaje y de igual manera para el resto de fases.

Figura 3. Comparación de voltajes con la red

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2. Tensiones en fase. La segunda condición, ambas tensiones en fase, significa que en el momento de la conexión la tensión final de la máquina entrante y la tensión de la línea deben actuar en oposición entre sí en el circuito cerrado que consiste de la máquina entrante, las barras colectoras, y los otros generadores.

Si ambas tensiones no están en fase en el momento de la conexión, la diferencia de tensión resultante produce una onda de corriente instantánea, que en el caso de grandes desplazamientos angulares, puede dañar los arrollamientos de la máquina.

Figura 4. Sincronización de un generador monofásico con la barra infinita, por medio de lámparas

La condición en fase entre la tensión de la línea y la tensión de la máquina entrante y también la tercera condición de frecuencias iguales puede determinarse por medio de lámparas. La figura 4,muestra el arreglo de las lámparas para una máquina entrante monofásica el interruptor S de doble polo está unido por dos lámparas L.

3. Frecuencia. La tercera condición, la frecuencia de ambas tensiones deben ser las mismas, significa que en el momento de la conexión la frecuencia del generador a acoplar y las frecuencias en las barras deber ser iguales. Si las tensiones son iguales y en fase las lámparas permanecen apagadas. No obstante, si las tensiones son iguales pero la frecuencia de la línea y la

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frecuencia de la máquina entrante no son las mismas, las lámparas permanecen apagadas por un tiempo corto únicamente, se encienden después y vuelven a apagarse de nuevo. El encendido de las lámparas ocurre en una secuencia periódica, y la frecuencia de fluctuación es una indicación de la diferencia en la frecuencia entre la máquina entrante y la línea. Debe ajustarse la frecuencia de la máquina entrante de tal manera que el encendido de las lámparas tenga lugar lentamente, y debe cerrarse el interruptor S en el momento en que las lámparas estén apagadas. Variando la velocidad del motor primario se tiene como resultado una afección en la frecuencia del generador, esta es la manera de conseguir la igualación de todas las ondas entre el generador y la barra de carga. La desigualdad de las ondas de frecuencia entre dos generadores, provoca que la tensión resultante sea mayor a la requerida por la red. Causando daños en los equipos y la carga conectada a esos grupos electrógenos. La frecuencia de funcionamiento es la medida eléctrica de la velocidad mecánica debido a su proporcionalidad. Para acoplar generadores en paralelo es necesario que este valor sea común para todos los grupos, una desigualdad entre frecuencias puede provocar corrientes circulantes entre los generadores, tiene también gran influencia en el reparto de la carga, durante este proceso cada grupo toma potencia activa de forma proporcional a la velocidad de su motor. 4~. Igualdad de secuencia de fase (Máquina Trifásica).La cuarta condición, significa que en el momento de la conexión la igualdad de secuencia de fase, los diagramas vectoriales deben girar en el mismo sentido.

Lafigura.5,muestra una secuencia de fases incorrecta, ante este caso las lámparas tendrán un brillo diferente cada una debido a la inversión de fases. Para corregir esto, basta con sólo intercambiar dos de las fases del generador entrante para que la secuencia sea correcta. (A-B, B-C, C A).

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Figura 5. Desigualdad de secuencia de fases, las lámparas no brillan simultáneamente

Los alternadores a conectarse en paralelo deben contar con el mismo número de fases que la barra de carga y tener correspondencia de voltaje, porque de no ser así se producen un desbalance de potencia en las líneas de alimentación provocando un calentamiento excesivo en el conductor afectado. Como se observa en la figura 6, los generadores G1 y G2 tienen igual número de fases;aportando de semejante manera al sistema, sin desbalancear la potencia entregada a la carga A diferencia de la figura 7, al poseer un tercer generador con incompatibilidad de fases (que entrega potencia exclusivamente a la línea a) produce un desbalance de energía entregada en sus cables de potencia y la barra de carga.

Figura 6. Generadores de igual número de fases

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Las fases sincronizadas hacen referencia a la secuencia de fases de los generadores. Al aproximar dos máquinas en paralelo con incorrecta secuencia de fases figura 8, provoca el incremento muy elevado de la corriente, causando daños en el alternador.

Figura7. Generadores con desigualdad de fases

Figura8. Fases sincronizadas, secuencia de fases incorrecta

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Si se cierra el interruptor S1 de la figura 3, la Fase A no causa problemas, pero las Fases B y C impulsan corrientes de circulación muy elevadas a través de los generadores.

Técnicas de sincronismo

El funcionamiento de generadores en paralelo obliga a cumplir con ciertas exigencias, para ello se tienen varios métodos o procedimientos citados a continuación: 1. MÉTODO DEL VOLTÍMETRO: Con este método se conectan tres bombillos entre los terminales abiertos del interruptor, conectando el generador al sistema, tal como se observa en la figura. A medida que cambian las fases entre los dos sistemas, los bombillos brillan al comienzo (diferencia grande de fase) y luego se apagan (diferencia pequeña de fase). Si todos los tres bombillos se apagan y encienden al mismo tiempo, entonces el sistema tiene la misma secuencia de fase. Si los bombillos se encienden sucesivamente, entonces los sistemas tiene la secuencia de fase contraria y de verá invertirse una de ellas.

2. MÉTODO DEL WATIMETRO (SINCRONOSCOPIO): Un sincronoscopio es un instrumento que sirve para medir la diferencia de ángulo de fase entre las fases a de los dos sistemas. El frente de un sincronoscopio se puede ver en la figura. La esfera señala la diferencia de fase entre las dos fases a, con 0° (que significa en fase) arriba y 180° abajo. Como las frecuencias de los dos sistemas son ligeramente diferentes, el ángulo de fase medido por el instrumento cambia lentamente. Si el generador o el sistema entrante es más rápido que el sistema en funcionamiento (la situación deseada),

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entonces el ángulo de fase avanza y la aguja del sincronoscopio gira en el sentido de los punteros del reloj. Si la maquina entrante es más lenta, la aguja gira en sentido contrario a los punteros del reloj. Cuando la aguja del sincronoscopio se coloca en la posición vertical, los voltajes están en fase y el interruptor se puede cerrar para que queden conectados al sistema.

3. MOTOR DE INDUCCIÓN: Una de ellas es conectar alternadamente un motor de inducción a los terminales de cada uno de los generadores. Si el motor gira siempre en la misma dirección, entonces la secuencia de fase será la misma para ambos generadores. Si lo hace en sentido contrario, las secuencias de fase serán diferentes y deberán invertirse dos de los conductores del generador entrante.

FORMAS DE GENERACIÓN ENERGÍA EÓLICA: La energía eólica es la energía obtenida a partir del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es convertida en otras formas útiles de energía para las actividades humanas. En la actualidad, la energía eólica es utilizada principalmente para producir electricidad mediante aerogeneradores conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica. Los parques eólicos construidos en tierra suponen una fuente de energía cada vez más barata y competitiva, e incluso más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía convencionales.2 3 Pequeñas instalaciones eólicas pueden, por ejemplo, proporcionar electricidad en regiones remotas y aisladas que no tienen acceso a la red eléctrica La energía eólica es un recurso abundante, renovable y limpio que ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar fuentes de energía a base de combustibles fósiles. El impacto ambiental de este tipo de energía es además, generalmente, menos problemático que el de otras fuentes de energía. La energía del viento es bastante estable y predecible a escala anual, aunque presenta variaciones significativas a escalas de tiempo menores. Al

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incrementarse la proporción de energía eólica producida en una determinada región o país, se hace imprescindible establecer una serie de mejoras en la red eléctrica local. ¿Cómo se produce y obtiene? La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan desde zonas de alta presión atmosférica hacia zonas adyacentes de menor presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión. Los vientos se generan a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre debido a la radiación solar; entre el 1 y el 2 % de la energía proveniente del Sol se convierte en viento. Durante el día, los continentes transfieren una mayor cantidad de energía solar al aire que las masas de agua, haciendo que este se caliente y se expanda, por lo que se vuelve menos denso y se eleva. El aire más frío y pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente. La energía del viento se aprovecha mediante el uso de máquinas eólicas o aeromotores capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices o para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el más ampliamente utilizado en la actualidad, el sistema de conversión —que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red— es conocido como aerogenerador. En estos la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos. Un aerogenerador es una máquina que transforma la energía del viento en energía eléctrica aprovechable mediante unas aspas oblicuas unidas a un eje común.

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GENERACIÓN FOTOVOLTAICA:

La Energía Solar Fotovoltaica es una tecnología que genera corriente continua (potencia medida en vatios o kilovatios) por medio de semiconductores cuando éstos son iluminados por un haz de fotones. Mientras la luz incide sobre una célula solar, que es el nombre dado al elemento fotovoltaico individual, se genera potencia eléctrica; cuando la luz se extingue, la electricidad desaparece. Las células solares no necesitan ser cargadas como las baterías. Algunas células solares vienen manteniéndose en operación terrestre o en el espacio desde hace 30 años. La Energía Solar Fotovoltaica presenta ventajas e inconvenientes tanto técnicas como no técnicas. A menudo, las ventajas y desventajas son diametralmente opuestas a las de las centrales convencionales de fuel. Por ejemplo, las plantas de combustibles fósiles provocan emisiones peligrosas para el medio ambiente, usan una fuente limitada, su coste tiende a crecer y no son modulares, es decir, no se pueden hacer plantas pequeñas. La Energía Solar Fotovoltaica no tiene ninguno de esos problemas; por el contrario tiene la desventaja de su difícil almacenamiento. Por último, coinciden en ser ambas tecnologías muy fiables. En la Tabla 1 identificamos las ventajas e inconvenientes de la Energía Solar Fotovoltaica. Algunos de estos últimos no son técnicos sino que están relacionadas con la economía o las infraestructuras, pero pueden compensarse parcialmente gracias a la gran aceptación pública y por los indudables beneficios al medio ambiente. Durante la segunda mitad de los años 90 la producción creció una media del 33% anual y en el siglo XXI lo está haciendo al 40%. Tabla 1. Ventajas e inconvenientes de la Energía Solar Fotovoltaica

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BASES FÍSICAS DE LA CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA Las células solares están hechas de materiales semiconductores, que poseen electrones débilmente ligados ocupando una banda de energía denominada “banda de valencia”. Cuando se aplica un cuanto de energía por encima de un cierto valor a un electrón de valencia, el enlace se rompe y el electrón pasa a una nueva banda de energía llamada “banda de conducción”. Mediante un contacto selectivo, estos electrones pueden ser llevados a un circuito externo y realizar un trabajo útil, perdiendo así la energía captada y regresando por otro contacto a la banda de valencia con la energía inicial, anterior al proceso de absorción de un fotón luminoso. El flujo de electrones en el circuito exterior se llama corriente de la célula y su producto por el voltaje con el que se liberan los electrones por los contactos selectivos determina la potencia generada. Todo esto ocurre a temperatura ambiente y sin partes móviles, pues las células solares, que convierten en electricidad sólo una parte de la energía de los fotones absorbidos se calientan sólo unos 25-30ºC por encima de la temperatura ambiente. La estructura típica de una célula solar es una unión pn similar a los diodos semiconductores, pero no necesariamente la única posible. En las aplicaciones fotovoltaicas, las células solares se interconectan y encapsulan en elementos llamados módulos fotovoltaicos, que es el producto final vendido al usuario. Estos módulos producen corriente continua que suele transformarse en corriente alterna, más útil, mediante un dispositivo electrónico llamado inversor u ondulador. El inversor, las baterías recargables, en caso de que se necesite almacenamiento, las estructuras sobre las que se montan y orientan los módulos así como otros elementos necesarios para construir un sistema fotovoltaico (FV) se llama BOS (Balance of System), que significa, sencillamente, “resto de sistema”. Puesto que el objetivo global de la tecnología fotovoltaica es producir sistemas fotovoltaicos de bajo coste, es obvio que se precisa algo más que células eficientes y baratas: Se necesita también un BOS eficiente y de bajo coste que incluya los elementos de montaje, electrónica de acondicionamiento de potencia, fusibles, cables, acumuladores, seguimiento del sol, etc. Sobre estas áreas se ha hecho mucha menos I+D que sobre las células y los módulos, de modo que existe una perspectiva de reducción de precios y aumento de la fiabilidad notables en el futuro. Vamos seguidamente a revisar los principales componentes del sistema y sus alternativas presentes y futuras. AS CÉLULAS SOLARES: CARACTERISTICAS, TIPOS Y DESARROLLO

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LAS CÉLULAS SOLARES: CARACTERISTICAS, TIPOS Y DESARROLLO Es el dispositivo en el que se produce la conversión de luz en electricidad gracias a las propiedades de los semiconductores por una parte y a las estructuras (unión pn, heterounión, interfaz sólido-electrolito, etc.) que permiten extraer los electrones excitados de la célula, antes de que vuelvan a su estado de equilibrio térmico, hacia un circuito exterior para que realicen un trabajo. La célula solar utiliza un haz de fotones a 6000ºK, es decir, opera como una máquina térmica cuya fuente caliente, la caldera, estuviera a esos 6000ºK. En una central térmica se calienta agua para crear vapor a 900ºK, y en el caso de las centrales termosolares, el gas de 6000ºC se degrada para calentar el agua a 700- 800ºK. Atendiendo al principio de Carnot la eficiencia que se puede conseguir en la superficie de la tierra con el gas de fotones solar sería del 95%. Ciertos efectos de remisión de fotones dejan esta cifra máxima en el 87%. Para las centrales térmicas esas eficiencias ideales máximas son del 66% y el 60%, respectivamente. Así que el potencial en eficiencia de la conversión fotovoltaica es el mayor imaginable puesto que una caldera de 6000ºK no es realizable con ningún material1: Todos se funden a menores temperaturas. Por otra parte, el proceso de conversión se realiza sin partes móviles, ni fluidos, ni bombas. mayoritaria en Japón y Alemania) y grandes centrales (solución mayoritaria en España).

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GENERACIÓN BIOMASA: La palabra biomasa describe los materiales provenientes de seres vivos animales o vegetales. Es decir, toda la materia orgánica (materia viva) procedente del reino animal y vegetal obtenida de manera natural o procedente de las transformaciones artificiales. Toda esta materia se convierte en energía si le aplicamos procesamientos químicos. La energía de la biomasa proviene en última instancia del Sol. Los vegetales absorben y almacenan una parte de la energía solar que llega a la tierra y a los animales en forma de alimento y energía. Cuando la materia orgánica almacena la energía solar, también crea subproductos que no sirven para los animales ni para fabricar alimentos pero sí para hacer energía de ellos. Una instalación industrial diseñada para generar energía eléctrica a partir de recursos biológicos. Así pues, las centrales de biomasa utilizan fuentes renovables para la producción de energía eléctrica. El proceso de funcionamiento de una central eléctrica de biomasa es el siguiente: 

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En primer lugar, el combustible principal de la instalación y los residuos forestales se almacenan en la central. Allí se tratan para reducir su tamaño, si fuera necesario. A continuación, pasa a un edificio de preparación del combustible, donde se clasifica en función de su tamaño y finalmente se llevan a los correspondientes almacenes. Seguidamente son conducidos a la caldera para su combustión, eso hace que el agua de las tuberías de la caldera se convierta en vapor debido al calor. El agua que circula por las tuberías de la caldera proviene del tanque de alimentación, donde se precalienta mediante el intercambio de calor con los gases de combustión aún más lentos que salen de la propia caldera. Del mismo modo que se hace en otras centrales térmicas convencionales, el vapor generado a la caldera va hacia la turbina de vapor que está unida al generador eléctrico, donde se produce la

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energía eléctrica que se transportará a través de las líneas correspondientes.  El vapor de agua se convierte en líquido en el condensador, y desde aquí es nuevamente enviado al tanque de alimentación cerrándose así el circuito principal agua-vapor de la central.  La biomasa es la única fuente de energía que aporta un balance de CO 2 favorable, siempre y cuando la obtención de la biomasa se realice de una forma renovable y sostenible, de manera que el consumo del recurso se haga más lentamente que la capacidad de la Tierra para regenerarse. De esta manera, la materia orgánica es capaz de retener durante su crecimiento más CO 2 del que libera en su combustión, sin incrementar la concentración de CO 2.  Aunque el potencial energético existente en el planeta sería suficiente para cubrir todas las necesidades energéticas, esta no se puede utilizar en su totalidad, ya que exigiría el aprovechamiento a gran escala de los recursos forestales. Esto haría imposible mantener el consumo por debajo de la capacidad de regeneración, lo cual reduciría muy considerablemente la energía neta resultante y conduciría a un agotamiento de dichos recursos a la vez que daría lugar a efectos medioambientales negativos.

GENERACIÓN HIDRÁULICA: Las centrales hidráulicas o hidroeléctricas utilizan como fuente de energía primaria el agua, que energéticamente se expresa en términos de caudal y velocidad. La energía hidráulica, gracias a la denominada turbina hidráulica, se transforma en mecánica que se manifiesta en un par mecánico y una velocidad en un eje de acoplamiento del generador eléctrico. De este modo, la energía hidráulica se convierte en energía eléctrica en el generador y se manifiesta en forma de tensión e intensidad en los bornes del generador. Por el tipo de fuente primaria, las centrales hidroeléctricas son las que presentan menor contaminación. Sin embargo, requieren una fuerte inversión en su construcción y necesitan, para su regulación y captación de recursos, la inundación de grandes superficies geográficas de embalse. Una ventaja de este tipos de centrales, además del coste del combustible y o contaminación, es su flexibilidad para su conexión y desconexión, lo cual las hace muy adecuadas como centrales de regulación para ajustar la producción a las necesidades de la demanda. No obstante, al estar sujetas a las precipitaciones de la zona su funcionamiento tiene una considerable componente aleatoria.

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GENERACIÓN TÉRMICA: En las centrales térmicas la energía primaria es un combustible fósil (carbón, fuel-oil o gas), denominándose centrales de carbón, de fuel o de gas, respectivamente. El principio de funcionamiento de este tipo de centrales es básicamente el siguiente: i) El combustible es quemado en la caldera donde se produce el vapor de agua. ii) El vapor a alta presión es transformado a través de la turbina de vapor en energía mecánica. iii) La energía mecánica, como en el caso de una central hidráulica, se convierte en energía eléctrica gracia al generador. De este modo, en las centrales térmicas se presentan las conversiones de energía térmica-mecánica-eléctrica y por tanto, su eficiencia energética dependerá fundamentalmente del poder calorífico del combustible. El rendimiento del ciclo no supera en cualquier caso el 45%. Por la inercia térmica de la caldera, en torno a siete horas, estas centrales presentan cierta rigidez en su conexión y desconexión, que las hace poco flexibles en su utilización. Por

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ello, las centrales térmicas son objeto de estudios de arranque-parada para elaborar sus órdenes de funcionamiento y, en ocasiones, operan en caliente sin producción. Aunque el combustible puede estar sujeto a variabilidad en su precio, dependiendo del país, éste pude considerarse como disponible y, por tanto, este tipo de centrales puede utilizarse para regulación, siempre considerándose su inercia de conexión. Dentro del grupo de las centrales térmicas existen otros dos tipos de tecnologías que utilizan el gas como combustible. Por un lado son las centrales de turbina de gas, en las que, a modo de los reactores en los aviones, se utiliza la combustión de gas con aire a presión para alimentar la turbina y conseguir la energía mecánica con la que alimentar el alternador. Y por otro lado las centrales de ciclo combinado que combinan un ciclo de turbina de gas para conseguir rendimientos mucho más elevados.

Ventajas 

Son las centrales más baratas de construir (teniendo en cuenta el precio por megavatio instalado), especialmente las de carbón, debido a la simplicidad (comparativamente hablando) de construcción y la energía generada de forma masiva.  Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más baratas (alcanzan el 50%) que una termoeléctrica convencional, aumentando la energía térmica generada (y por tanto, las ganancias) con la misma cantidad de combustible, y rebajando las emisiones citadas más arriba en un 20%, quedando así en 0,35 kg de CO2, por kWh producido.  

La combustión libera CO2 y otras emisiones contaminantes. La tecnología actual en energía nuclear da lugar a residuos radiactivos que deben ser controlados. Además deben tenerse en cuenta la utilización de terreno de las plantas generadoras de energía

Desventajas 

El uso de combustibles calientes genera emisiones de gases de efecto invernadero y de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes que pueden contener metales pesados.  Al ser los combustibles fósiles una fuente de energía finita, su uso está limitado a la duración de las reservas y/o su rentabilidad económica.  Sus emisiones térmicas y de vapor pueden alterar el microclimalocal.  Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua caliente en éstos.  La obtención de energía térmica implica un impacto ambiental. La combustión libera CO2 y otras emisiones contaminantes. y los riesgos de contaminación por accidentes en el uso de los materiales implicados, como los derrames de petróleo o de productos petroquímicos derivados. 

METODOS DE SINCRONIZACION Y FORMAS DE GENERACION  

El nivel de radiación fluctúa de una zona a otra y de una estación del año a otra, en nuestra zona varía un 20% de verano a invierno.  Se debe complementar este método de convertir energía con otros.  Los lugares donde hay mayor radiación, son lugares desérticos y alejados, (energía que no se aprovechara para desarrollar actividad agrícola o industrial, etc.).