Universidad Austral de Chile

Transcripción

1 Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Acústica ESTUDIO, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PARA EL SECTOR COSTERO DE LA XIV REGIÓN, EN CORRAL Tesis para optar al título de: Ingeniero Electrónico. Profesor Patrocinante: Sr. Pedro Rey Clericus. Ingeniero Electrónico. Licenciado em Ciencias de La Ingeniería Diplomado em Ciencias de La Ingeniería RICHARD ALEX VELÁSQUEZ CÁRCAMO VALDIVIA - CHILE 2010

2 II COMISIÓN DE TITULACIÓN PROFESOR PATROCINANTE: SR. PEDRO REY C. PROFESORES INFORMANTES: SR. FRANKLIN CASTRO R. SR. ALEJANDRO VILLEGAS M. FECHA DE EXAMEN DE TITULACIÓN: 2

3 III A mi esposa......alejandra... 3

4 IV Agradezco... A Dios por sobre todas las cosas, por la vida, salud y la oportunidad de realizar este trabajo. A mis Padres Sonia y Ricardo por su apoyo incondicional. Gracias por su comprensión! A mis compañeros con los cuales compartimos los buenos y difíciles momentos en el transcurso de nuestros estudios. A mi Profesor Patrocinante Don Pedro y A mis Profesores Informantes Don Franklin y Don Alejandro por aceptar ser la Comisión evaluadora y tutora Para la realización de este Proyecto. Gracias Por su Apoyo! Al mi Esposa Alejandra, quien escogió ser mi compañera en el camino de mi vida. Gracias por tu Amor! A mi hija Belén, que te sirva de incentivo para cumplir tus metas. Te quiero hija! A todos aquellos que no nombré, pero que de algún modo se identifican con este tan importante logro. Muchas Gracias! 4

5 V ÍNDICE RESUMEN VI ABSTRACT VII INTRODUCCIÓN VIII OBJETIVOS IX CAPÍTULO I Energía Eólica 1.1. Energías Renovables Pág La Energía Solar La Energía Hidráulica La Energía Eólica La Energía Geotérmica La Biomasa La Mareomotriz Energía Eólica Ventajas de la Energía Eólica Una Energía Limpia El Sol, Una fuente Inagotable Aerogenerador o Generador Eólico CAPÍTULO II Estado del Arte 2.1. Sistemas Eólicos Primeros Aerogeneradores Aplicaciones y desarrollo Molino Persa Primer Aerogenerador d Corriente Continua Primer Aerogenerador de Corriente Alterna

6 Aerogenerador más grande del mundo Tendencia Actual Pequeños Aerogeneradores Tipos de Aerogeneradores Generadores Eólicos Horizontales Máquinas con rotor a barlovento Máquinas con rotor a Sotavento Aerogenerador Tripala Aerogenerador Bipala Aerogenerador Monopala Generadores Eólicos verticales Aerogenerador vertical Savonius Aerogenerador vertical Darrieus Aerogenerador vertical Windside Aerogenerador vertical Giromill Esquemas eléctricos para Aerogeneradores Esquemas eléctricos para DC Esquemas eléctricos para AC Generadores Síncronos Generadores Asíncronos CAPÍTULO III Modelos para el uso de la Energía Eólica 3.1. Analizando el Viento El Recurso eólico, Potencia del viento La ley de Betz Distribución de Weibull La Rugosidad Emplazamiento Función de densidad de Potencia Escala de Beaufort

7 Rendimiento de Aerogeneradores CAPÍTULO IV El Prototipo de Generador Eólico 4.1. Prototipo Aerogenerador de eje Vertical Antecedentes Por qué aerogenerador vertical? El prototipo Esquema general eléctrico El rotor Los álabes El alternador La caja amplificadora La batería El Inversor Plataforma de Sustentación CAPÍTULO V Pruebas y Obtención de Parámetros 5.1. Macro localización Micro localización Mediciones de velocidad de viento en el sector de Huiro Pruebas del Prototipo Rotor en Vacío Rotor con Alternador Curva del alternador del Prototipo Curva del alternador del AIR-X de 400 W

8 Curva de potencia y eficiencia energética Evaluación económica CAPÍTULO VI Conclusiones y Etapa Final 6.1. CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA Apéndice A. Detalle de los costos de Implementación B. Velocidad de viento en Huiro C. Medidas del Prototipo D. Leyes aplicadas a las ERNC

9 INDICE DE FIGURAS 1.1 Calentamiento del agua Generación de electricidad mediante paneles solares Generación de electricidad mediante mini-hidráulica Molinos para generación de electricidad Obtención de energía geotérmica La Biomasa La fuerza de las mareas producen el movimiento de giro Ejemplo de aerogeneradores actuales para la generación de electricidad Molino Persa Vela usada para propulsar una embarcación Primer aerogenerador de corriente continua Primer aerogenerador de corriente alterna El aerogenerador más grande del mundo Partes de un aerogenerador horizontal Aerogenerador a barlovento Aerogenerador a sotavento Aerogenerador horizontal tripala Aerogenerador horizontal bipala y buje oscilante Aerogenerador horizontal monopala y contrapeso Rotor Savonius Detalle del rotor Savonius Aerogenerador vertical Darrieus Aerogenerador vertical Windside Prototipo Giromill Aerogenerador de eje vertical para vientos fuertes Conversión de la energía en un aerogenerador con conexión indirecta Alternador conectado a red continua Generador de imán permanente conectado a una red continua

10 2.21 Generador síncrono conectado directamente a la red alterna Generador síncrono con etapa de rectificación e inversión Generador síncrono con múltiples polos Generador asíncrono con arrancador suave y banco de capacitores Generador asíncrono conectado directamente a la red alterna doblemente alimentado Generador asíncrono con etapa de rectificación e inversión Potencia del viento Comportamiento del viento frente a un aerogenerador Curva de eficiencia de Betz Distribución de viento de Weibull Emplazamiento Potencia dl viento Cp v/s TSR Aerogenerador vertical Darrieus-Savonius Prototipo aerogenerador Darrieus-Savonius implementado Esquema general eléctrico del prototipo Rotor del Prototipo Los álabes Esquema general del alternador Circuito cargador de batería Circuito regulador de voltaje Alternador Modelo fasorial del generador Alimentación del alternador Relación de vueltas, para polea de 48 cm de Diámetro La Batería El Inversor Soporte del prototipo

11 5.1 Macrolocalización Microlocalización Ensayo en vacío del rotor Ensayo del rotor con alternador Polea con relación de vueltas 1: Curva de potencia alternador de automóvil AIR-X de 400 Watts Curva de potencia AIR-X de 400 W Potencia suministrada por el prototipo Eficiencia del Prototipo INDICE DE TABLAS 1.0 Rugosidad Coeficientes de Rugosidad Escala de Beaufort Características generales de distintos generadores eólicos Resumen velocidad de viento Potencia entregada por el prototipo Costos generales

12 VI RESUMEN El objetivo de este trabajo es solucionar el problema de abastecimiento energético en zonas costeras pertenecientes a la comuna de Corral, ya que aún hay localidades que no cuentan con energía eléctrica. El presente trabajo se presenta, a través de un análisis y estudio de los generadores eólicos, sus características, tipos y funcionamiento en general. También, seguido de esto, se realiza un estudio detallado del comportamiento del viento relacionado con la energía eólica. Después, se realiza un diseño y construcción de un prototipo de generador eólico de eje vertical Darrieus-Savonius, en donde se emplearon diversos materiales y dispositivos eléctricos. Una vez terminado el prototipo de aerogenerador, se prueba su funcionamiento en la localidad de Huiro, entregando energía eléctrica a hogares aislados del sector costero de la comuna de Corral. 12

13 VII ABSTRACT The aim of this paper is to solve the problem of energy supply in coastal areas outside the town of Corral, because there are still towns that do not have electricity. This paper presents, through an analysis and study of wind generators, their characteristics, types and general functioning. It also followed that, it makes a detailed study of wind behavior related to wind energy. Then performing a design and construction of a prototype wind generator vertical axis Darrieus- Savonius, where they used different materials and electrical devices. Once the wind turbine prototype, tested for operation in the town to flee, delivering electricity isolated households of the coastal area of the town of Corral. 13

14 VIII INTRODUCCIÓN En la actualidad la mayoría de las familias poseen energía eléctrica, lo que facilita un nivel de vida mejor. Mediante la energía eléctrica se puede tener iluminación, hacer funcionar aparatos eléctricos, escuchar música, mirar televisión, etc. Pero hay familias que por su situación geográfica no pueden tener acceso a la energía eléctrica, como lo es en el caso de los sectores de Huiro, Cadillal y Punta Falsa, pertenecientes a la comuna de Corral. Este trabajo pretende dar solución a este problema presentando un diseño de un prototipo de generador eólico con eje vertical, que aprovecha las velocidades altas de viento en la zona. Un generador eólico gira por efecto del viento, y conectado a un alternador produce un giro en este. El giro del alternador produce energía eléctrica, energía que puede ser utilizada por las familias del sector. Para ello se realiza un diseño de aerogenerador y una posterior construcción, de un prototipo de aerogenerador. Para llevar a cabo este trabajo se realiza un análisis y estudio de los aerogeneradores existentes para encontrar alguna alternativa de diseño, luego se recopilan materiales para su implementación, a partir de este diseño se llevará a cabo la construcción del prototipo generador eólico de eje vertical Darrieus-Savonius. Una vez realizados los pasos anteriores se realizan las pruebas de funcionamiento del prototipo, en condiciones normales. Hay que decir también que el diseño terminado podrá tener muchas mejoras, ya sea, en cuanto a los materiales utilizados, su forma y demás detalles. Para este caso no son relevantes, pero que con el tiempo, mas adelante pueden ser solucionables. 14

15 IX OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Realizar un Estudio, Diseño y Construcción de un Prototipo de Generador Eólico para la zona Costera de la XIV Región en Corral. Este Sistema debe aportar al abastecimiento Energético Domiciliario. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Investigar y Analizar los diferentes tipos de aerogeneradores existentes en la actualidad para el abastecimiento Energético. Analizar y Estudiar su Arquitectura identificando los elementos que lo componen y su funcionamiento en forma general. Seleccionar la mejor alternativa para ser implementada en un Domicilio, en la zona costera de Corral y que cumpla con el objetivo general. Indicar en forma detallada como se realiza el diseño, construcción y montaje de este prototipo de aerogenerador. Supervisar el funcionamiento de este sistema en aplicaciones domésticas. 15

16 CAPITULO I ENERGÍA EÓLICA 16

17 1.1. Energías Renovables Qué son las Energías Renovables? Son aquellas fuentes de energía que no se acabarán o estarán disponibles mientras nosotros estemos en este planeta. También son llamadas energías alternativas o blandas. Las energías renovables comprenden: la energía solar, la hidráulica, la eólica, la geotérmica, la biomasa y la mareomotriz La Energía solar. Esta energía es del directo aprovechamiento del calor del sol. De la que se puede obtener: Calentamiento de agua hasta 60 C y Electricidad. Fig Calentamiento de agua. Fig.1.2. Generación de Electricidad mediante paneles Solares 17

18 1.1.2 La Energía Hidráulica. Se genera haciendo pasar una corriente de agua a través de una turbina La Energía Eólica. Fig Generación de Electricidad mediante mini hidráulica. Un aerogenerador obtiene su energía, convirtiendo la fuerza del viento en movimiento de giro. Fig Molinos para Generación de Electricidad La Geotérmica. La Geotermia aprovecha el calor interno de la tierra y el agua que proviene del subsuelo. Se puede obtener calentamiento de agua y electricidad. Fig Obtención de Energía Geotérmica. 18

19 1.1.5 La Biomasa. Es un término genérico referido a cualquier producto biológico que puede convertirse en energía útil. Se puede obtener combustible energético directa o indirectamente de los recursos biológicos. Fig La Biomasa, procede de maderas, residuos agrícolas, estiércol, etc La Mareomotriz. Se genera por medio del movimiento de las mareas. La fuerza de este elemento que cubre la mayor parte del planeta es un potencial de fuente de energía, que en la actualidad se ha convertido en una delas alternativas para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, que amenazan con la vida del planeta. Fig La fuerza de las mareas producen el movimiento de giro. 19

20 1.2. Energía Eólica. La energía eólica es la energía cuyo origen proviene del movimiento de la masa de aire, es decir, el viento. En la tierra el movimiento de las masas de aire se debe principalmente a la diferencia de presiones existentes en distintos lugares de esta, moviéndose de alta a baja presión, este tipo de viento se llama geoestrófico. Para la generación de energía eléctrica a partir de la energía del viento a nosotros nos interesa mucho más el origen de los vientos en zonas más específicas del planeta, estos vientos son los llamados vientos locales, entre estos están las brisas marinas, que son debidas a la diferencia de temperatura entre el mar y la tierra, también están los llamados vientos de montaña que se producen por el calentamiento de las montañas y esto afecta en la densidad del aire y hace que el viento suba por la ladera de la montaña o baje por esta dependiendo si es de noche o de día Ventajas de la Energía Eólica La energía eólica presenta ventajas frente a otras fuentes energéticas convencionales: - Procede indirectamente del sol, que calienta el aire y ocasiona el viento. - Se renueva de forma continua. - Es inagotable. - Es limpia. No contamina. - Es autóctona y universal. Existe en todo el mundo. - Cada vez es más barata conforme aumenta la tecnología. - Permite el desarrollo sin expoliar la naturaleza, respetando el medio ambiente. - Las instalaciones son fácilmente reversibles. No deja huella Una energía limpia La generación de electricidad a partir del viento no produce gases tóxicos, ni contribuye al efecto invernadero, ni a la lluvia ácida. No origina productos secundarios peligrosos ni residuos contaminantes. Cada Kw/h de electricidad, generada por energía eólica en lugar de carbón, evita la emisión de un kilogramo de dióxido de carbono CO2 a la Atmósfera. Cada árbol es capaz de absorber 20 Kg de CO2; generar 20 Kilowatios de energía limpia, tiene el mismo efecto, desde el punto de la contaminación atmosférica, que plantar un árbol. 20

21 1.2.3 El sol, una fuente inagotable La energía eólica forma parte de las energías renovables, que proceden del sol. La energía eólica se considera una forma indirecta de energía solar, entre el 1 y 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento. Debido al movimiento del aire ocasionado por el desigual calentamiento de la superficie terrestre. La energía cinética del viento puede transformarse en energía útil, tanto mecánica como eléctrica. La energía procedente de la radiación solar, que la tierra absorbe en un año, equivale a unas 20 veces la energía almacenada en todas las reservas de combustibles fósiles del mundo(carbón, petróleo y gas). Si se pudiera aprovechar tan solo el 0,005% de dicha radiación mediante aerogeneradores, turbinas, paneles solares y otros procedimientos tecnológicos renovables obtendríamos mas energía útil en un año que la que conseguimos quemando carbón, petróleo y gas. Con la diferencia que las energías renovables no se agotan Aerogenerador o generador Eólico Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por la acción del viento. Sus precedentes directos son los molinos de viento que se empleaban para la molienda y obtención de harina. En este caso, la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento, proporciona energía mecánica a un rotor hélice que, a través de un sistema de transmisión mecánico, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. Fig Ejemplo de aerogeneradores actuales para generación de electricidad. 21

22 CAPITULO II ESTADO DEL ARTE DE LOS AEROGENERADORES. 22

23 2.1. Sistemas Eólicos El ser humano ha intentado aprovechar la energía del viento a lo largo de toda la historia, mediante molinos para moler el grano, extraer agua, mover otras máquinas, impulsar medios de transporte, barcos de vela, etc Primeros Aerogeneradores Historia Los molinos movidos por el viento tienen un origen remoto. En el siglo VII D.C. ya se utilizaban molinos elementales en Persia para riego y para moler el grano. En estos primero molinos la rueda que sujetaba las aspas eran horizontales y estaba soportada sobre un eje vertical. Estas máquinas no resultaban demasiado eficaces, pero aún si se extendieron por China y el Oriente próximo. En Europa los primeros molinos aparecieron en el siglo XII en Francia e Inglaterra y se distribuyeron por el continente. Eran unas estructuras de madera, conocidas como torres de molino, que se hacían girar a mano alrededor de un poste central para levantar sus aspas al viento. El molino de torre se desarrolló en Francia a lo largo del siglo XIV. Consistía en una torre de piedra coronada por una estructura rotativa de madera que soportaba el eje de molino y la máquina superior del mismo. Estos primeros ejemplares tenían una serie de características comunes. De la parte superior del molino sobresalía un eje horizontal. De este eje partían de cuatro a ocho aspas, con una longitud entre 3 y 9 metros. Las vigas de madera se cubrían con telas o planchas de madera. La energía generada por el giro del eje se transmitía, a través de un sistema de engranajes, a la maquinaria del molino emplazada en la base de la estructura Aplicaciones y Desarrollo Además de emplearse para el riego y moler el grano, los molinos construidos entre los siglos XV y XIX tenían otras aplicaciones, como el bombeo de agua en tierras bajo el nivel del mar, aserradores de madera, fábricas de papel, prensado de semillas para producir aceite, así como para triturar todo tipo de materiales. En el siglo XIX se llegaron a construir unos molinos en Holanda. El avance más importante fue la introducción del abanico de aspas, inventado en 1745, que giraba impulsado por el viento. En 1772 se introdujo el aspa con resortes. Este tipo de aspas consiste en unas cerraduras de madera que se controlan de forma manual o automática, a fin de 23

24 mantener una velocidad de giro constante en caso de vientos variables. Otros avances importantes han sido los frenos Hidráulicos para detener el movimiento de las aspas y la utilización de aspas aerodinámicas en forma de hélice, que incrementan el rendimiento de los molinos con vientos débiles. El uso de las turbinas de viento para generar electricidad comenzó en Dinamarca a finales del siglo XIX y se ha extendido por todo el mundo. Los molinos para el bombeo de agua se emplearon a gran escala durante el asentamiento en las regiones áridas del Oeste de Estados Unidos. Pequeñas turbinas de viento generadoras de electricidad abastecían a numerosas comunidades rurales hasta la década de 1930, cuando en Estados Unidos se extendieron las redes eléctricas Molino Persa Los molinos más antiguos, pertenecientes a la civilización Persa en el siglo 7 D.C, eran de eje vertical y se utilizaban para la molienda y bombeo de agua. Fig Molino Persa. 24

25 Fig vela usada para propulsar a una embarcación Primer Aerogenerador de Corriente Continua Charles F. Brush ( ) es uno de los fundadores de la industria eléctrica americana. Durante el invierno de Brush construyó la que hoy se cree es la primera turbina eólica de funcionamiento automático para generación de electricidad. Era un gigante la más grande del mundo con un diámetro de rotor de 17 m y 144 palas fabricadas en madera de cedro. Fig Primer Aerogenerador de corriente continua. A pesar del tamaño de la turbina, el generador era solamente un modelo de 12 Kw y de corriente continua. Esto se debe al hecho de que las turbinas eólicas de giro lento del tipo 25

26 americano de rosa de los vientos no tienen una eficiencia media particularmente alta. Fue el Danés Poul la Cour quién mas tarde descubrió que las turbinas eólicas de giro rápido con pocas palas de rotor son más eficientes para la producción de electricidad que aquellas de giro lento Primer Aerogenerador de Corriente Alterna En 1956, en Dinamarca, se construyó el primer aerogenerador de corriente alterna el llamado Gedser. Tenía muchas innovaciones tecnológicas, no sólo en lo que concierne a la generación de electricidad, sino también en el campo de la aerodinámica y sistema de control con frenos aerodinámicos y regulación por pérdida de velocidad. Fig Primer aerogenerador de corriente alterna Aerogenerador más grande del mundo Hoy hasta la fecha el aerogenerador instalado más grande es el E-112 de la empresa alemana Enercon. Es un aerogenerador de eje horizontal con un rotor de 112 m de diámetro y puede generar una potencia de 4,5 MW. Su generador es de tipo sincrónico especialmente dimensionado para evitar la utilización de una caja mecánica amplificadora de RPM. Evitar esta componente mecánica es ventajoso por la mejora sustancial de la eficiencia global del aerogenerador en la conversión de energía. 26

27 Fig E-112, El aerogenerador más grande del mundo Tendencia actual Las modernas turbias de viento se mueven por dos procedimientos; el arrastre, en que el viento empuja las aspas, y la elevación, en el que las aspas se mueven de un modo parecido a las alas de un avión a través de una corriente de aire. Las turbinas de viento se pueden clasificar en turbinas de eje horizontal, en las que los ejes principales están paralelos al suelo y turbinas de eje vertical, con los ejes perpendiculares al suelo. Las turbinas de ejes horizontales utilizadas para generar electricidad tienen de una a tres aspas, mientras que las empleadas para bombeo pueden tener muchas más. Las turbinas eólicas actuales que se conectan a la red producen hasta 5MW de energía eléctrica y tienen rotores de hasta 100 metros de diámetro. A diferencia de otras formas de generación de energía, estos aparatos trabajan con una fuente de potencia que fluctúa en el tiempo debido a las ráfagas, por lo que se debe diseñar cuidadosamente el sistema de control y la resistencia a la fatiga de los componentes. Por otra parte se requieren robustez y confiabilidad. Esto implica especificaciones de diseño muy particulares y da lugar al desarrollo de tecnologías diversas y sofisticadas en las áreas de máquinas eléctricas, electrotecnia, electrónica, control y otras. El concepto mas usado actualmente es del aparato tripala de eje horizontal alimentando una red trifásica. Los países con industrias eólicas más importantes son Dinamarca, España, Alemania y Estados Unidos. Durante las últimas dos décadas la potencia de las turbinas eólicas aumentó hasta superar los 3 MW. Se han probado y desarrollados diferentes conceptos. Entre las modificaciones y evoluciones más importantes en el área de control se encuentran la 27

28 implementación de paso variable de las palas (cambio de ángulo de incidencia) y el control por entrada en pérdida aerodinámica de las palas. Los conceptos asociados a máquinas eléctrica utilizadas sufrieron grandes cambios creándose nuevas alternativas. Desde 1993 algunos fabricantes reemplazaron los tradicionales generadores asíncronos por los síncronos mientras que otros fabricantes implementaron generadores asíncronos con rotor bobinado en lugar del rotor de jaula. Los desarrollos eléctricos incluyen el uso de la electrónica de potencia, con lo que se logra, entre otras cosas, una velocidad de operación del rotor variable. Debido a la rápida evolución de la electrónica de potencia, que ofrece tanto mayor potencia transmitida como menor precio/kw, la implementación de dicha electrónica se encuentra en aumento. Actualmente se evalúan nuevos conceptos Pequeños aerogeneradores Estos aerogeneradores aumentan cada día su importancia en nuestro país, pero no han visto una disminución en sus costos. No obstante, siguen siendo una de las pocas alternativas, y en algunos casos la única, que pueden solucionar problemas de abastecimiento energético en zonas aisladas. Tal como ocurre con las celdas solares, la gran ventaja de estos pequeños aerogeneradores es la portabilidad del conversor energético. Son una solución excelente sobre todo cuando trabajan en conjunto a otros sistemas energéticos portátiles como en el caso de las celdas solares. Estos sistemas necesitan de un banco de baterías para poder manejar adecuadamente las fluctuaciones de la generación eléctrica y las fluctuaciones del consumo. Mediante esta interfaz (banco de baterías) se pueden diseñar sistemas donde las baterías cubran requerimientos de potencia superiores a los que los generadores en su estado nominal pueden entregar. Lo que tiene que mantenerse dentro del rango de seguridad es la energía que los recursos naturales pueden entregar a los generadores, la cual tiene que ser mayor a la energía que los consumos van a utilizar Tipos de Aerogeneradores En la actualidad se conocen dos principales tipos de aerogeneradores, estos son: Generadores eólicos horizontales y Generadores eólicos Verticales. 28

29 2.2.1 Generadores Eólicos Horizontales Son aquellos en los que el eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al piso. Ésta es la tecnología que se ha impuesto, por su eficiencia, confiabilidad y la capacidad de adaptarse a diferentes potencias. Las partes principales de un aerogenerador de eje horizontal son: Rotor Las palas del rotor, construidas mayormente en materiales compuestos, se diseñan para transformar la energía del viento en un torque en el eje del equipo. Los rotores modernos pueden llegar a tener diámetros superiores a 42 metros y erogar potencias equivalentes a varios MW. La velocidad de rotación está normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuyo límite actual se establece por criterios acústicos. Caja de Engranajes También llamada caja multiplicadora. Puede estar presente o no dependiendo del modelo. Transforman la baja velocidad del eje del rotor en alta velocidad de rotación en el eje del generador eléctrico. La Torre Ubica al generador a una mayor altura donde los vientos son de mayor intensidad y transmite las cargas del equipo al suelo. Generador Aparato que se utiliza para convertir la energía mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dínamo, y a una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina motor. Sistema de Control Responsable por el seguro y eficiente funcionamiento del equipo, controla la orientación de la góndola, la posición de las palas y la potencia total erogada por el equipo. 29

30 Fig Partes de un Aerogenerador Horizontal. Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje de rotación principal en la parte superior de la torre, que tiene que enfrentar al viento de alguna manera. Los aerogeneradores pequeños son dirigidos por una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y son orientados por servomotores. Dado que la velocidad de rotación de las aspas es baja, la mayoría hacen uso de una caja reductora para aumentar la velocidad de rotación del generador eléctrico. En general, la hélice es emplazada de tal manera que el viento, en su dirección de flujo, la encuentre antes que a la torre (rotor a barlovento). Esto disminuye las cargas adicionales que genera la turbulencia de la torre en el caso en que el rotor se ubique detrás de la misma (rotor a sotavento). Las palas de la hélice se montan a una distancia razonable de la torre y tienen rigidez alta, de tal manera que al rotar y vibrar naturalmente no choquen con la torre en caso de vientos fuertes. A pesar de la desventaja en el incremento de la turbulencia, algunos aerogeneradores, con hélices localizadas en la parte posterior de la torre, han sido construidos debido a que se orientan en contra del viento de manera natural, sin necesidad de usar un mecanismo de control. Sin embargo, la experiencia a demostrado la necesidad de un sistema de orientación para la hélice que la ubique delante de la torre. Este tipo de montaje se justifica debido a la gran influencia que 30

31 tiene la turbulencia en el desgaste de las aspas por fatiga. La mayoría de los aerogeneradores actuales son de este último tipo Máquinas Con Rotor a Barlovento Las máquinas con rotor a barlovento tiene el rotor de cara al viento. La principal ventaja de los diseños corriente arriba es que se evita el abrigo del viento tras la torre. La gran mayoría de los aerogeneradores tienen este diseño. Por otro lado, también hay algo de abrigo enfrente de la torre, es decir, el viento empieza a desviarse de la torre antes de alcanzarla, incluso si la torre es redonda y lisa. Así pues, cada vez que el rotor pasa por la torre, la potencia del aerogenerador cae ligeramente. El principal inconveniente de los diseños corriente arriba es que el rotor necesita ser bastante inflexible, y estar situado a una cierta distancia de la torre. Además, una máquina corriente arriba necesita de un mecanismo de orientación para mantener el rotor de cara al viento. Fig Aerogenerador a Barlovento Máquinas Con Rotor a Sotavento Las máquinas con rotor a sotavento tiene el rotor situado en la parte trasera de la torre. La ventaja teórica que tienen es que pueden ser construidos sin un mecanismo de orientación, si el 31

32 rotor y la góndola tienen un diseño apropiado que hace que la góndola siga al viento pasivamente. Otra ventaja más importante es que el rotor puede hacerse más flexible. Esto supone una ventaja tanto en cuestión de peso como de dinámica estructural de la máquina, es decir, las palas se curvarán a altas velocidades del viento, con lo que le quitarán parte de la carga a la torre. El inconveniente principal es la fluctuación de la potencia eólica, debida al paso del rotor a través del abrigo de la torre. Esto puede crear mas cargas de fatiga en la turbina que con un diseño corriente arriba. Fig Aerogenerador a Sotavento Aerogenerador Tripala La mayoría de los aerogeneradores modernos tiene diseño tripala, con el rotor a barlovento, usando motores eléctricos en su mecanismo de orientación. A este diseño se le suele llamar el clásico Concepto Danés, y tiende a imponerse como estándar al resto de conceptos evaluados. La gran mayoría de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseño. El concepto básico fue introducido por primera vez por el célebre aerogenerador de Gedser. Fig Aerogenerador horizontal tripala. 32

33 2.2.5 Aerogenerador Bipala Los diseños bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala, y, por supuesto, su peso. Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida. Esto supone una desventaja tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual. Últimamente, varios fabricantes tradicionales de máquinas bipala han cambiado a diseños tripala. Las máquinas bipala y monopala requieren de un diseño más complejo, con un rotor basculante(buje oscilante), como el que se muestra en el dibujo, es decir, el rotor tiene que ser capaz de inclinarse, con el fin de evitar fuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las palas pasa por la torre. Así pues el rotor está montado en el extremo de un eje perpendicular al eje principal, y que gira junto con el eje principal. Esta disposición puede necesitar de amortiguadores adicionales que eviten que las palas del rotor choquen contra la torre. Fig Aerogenerador horizontal Bipala y Buje oscilante Aerogenerador monopala Estos diseños existen y, de hecho, ahorran el coste de otra pala. Si algo puede ser construido, los ingenieros lo harán. Sin embargo, los aerogeneradores monopala no están muy extendidos comercialmente, pues los inconvenientes de los bipala también son aplicables, e incluso en mayor medida, a las máquinas monopala. Además de una mayor velocidad de giro, y de los problemas de ruido y de instrucción visual, necesitan un contrapeso en el lado del buje opuesto a la pala que equilibre el rotor. Obviamente, esto anula el ahorro de peso comparado con un diseño bipala. 33

34 Fig Aerogenerador horizontal monopala y contrapeso Generadores Eólicos Verticales Son aquellos en los que el eje de rotación del equipo se encuentra perpendicular al piso. Consideraciones Técnicas Los aerogeneradores de eje vertical tienen la ventaja de adaptarse a cualquier dirección de viento y por ello se les llama panemonos (todos los vientos). No precisan dispositivos de orientación; trabajan por la diferencia de coeficiente de arrastre entre las dos mitades de la sección expuesta al viento. Esta diferencia de resistencia al viento hace que el rotor sea propenso a girar sobre su eje en una dirección específica. A excepción del rotor Darrieus, los aerogeneradores de eje vertical operan con vientos de baja velocidad donde difícilmente superan las 200 (RPM). Se emplean para generar potencias que van de los 200 (W) a los 4 (MW). En estricto rigor no necesitan de una torre. Generalmente se caracterizan por tener altos torques de partida. El Darrieus es la excepción a las características antes mencionadas. Otra particularidad de estos aerogeneradores es que son mucho más fáciles de reparar pues todos los elementos de transformación de la energía del viento se encuentran a nivel de suelo. El inconveniente de este tipo de turbinas es que el eje no se ubica a mucha altura y las velocidades del viento disminuyen al llegar al suelo por efecto de la rugosidad del mismo. La velocidad del viento crece de forma importante con la altura, con lo que estos aerogeneradores han sido desplazados por los de eje horizontal. De todas formas, colocar un aerogenerador a más altura mediante una torre implica incurrir en costos adicionales ligados a la seguridad del soporte del aerogenerador. 34

35 2.2.8 Aerogenerador vertical Savonius El modelo del rotor Savonius es el más simple. Consiste en un cilindro hueco partido por la mitad, en el cual sus dos mitades han sido desplazadas para convertirlas en una S; las partes cóncavas de la S captan el viento, mientras que los reversos presentan una menor resistencia al viento, por lo que girarán en el sentido que menos resistencia ofrezcan. Este sistema tiene el inconveniente de presentar una sobre presión en el interior de las zonas cóncavas al no poder salir el aire, perjudicando el rendimiento; el sistema queda mejorado separando ambas palas y dejando un hueco entre ambas para que exista un flujo de aire. Fig Rotor Savonius. Debido a la gran resistencia al aire que ofrece este tipo de rotor, sólo puede ser utilizado a bajas velocidades. El uso para la generación de energía eléctrica precisaría de multiplicadores de giro que reducirían el rendimiento. Es por tanto útil para aplicaciones de tipo mecánico, como el bombeo de agua. Fig Detalle del rotor Savonius. 35

36 2.2.9 Aerogenerador vertical Darrieus Patentado por Georges. J. M. Darrieus en 1931, este modelo es el más popular de los aerogeneradores de eje vertical. Nace por la necesidad de evitar la construcción de hélices sofisticadas como las que se utilizan en los aerogeneradores de eje horizontal. Permite mayores velocidades que las del rotor Savonius, pero no alcanza a las de un rotor de eje horizontal. Fig Aerogenerador vertical Darrieus. El rotor Darrieus consta de unas finas palas con forma de ala de avión simétricas, que están unidas al eje sólo por los dos extremos, con una curva especial diseñada para un máximo rendimiento entre las dos uniones del eje. El modelo de curva más utilizado es el denominado Troposkien, aunque también se utiliza la catenaria. Como los otros aerogeneradores de eje vertical, el Darrieus no necesita de un sistema de orientación. Esta característica de captación omnidireccional le permite ser instalado en cualquier terreno sin necesidad de levantar altas torres, lo cual se traduce en un ahorro sustancial. Al poseer 36

37 una forma parecida a una cuerda para saltar, hace que los alerones del Darrieus experimenten una fuerza centrífuga. Al trabajar en pura tensión hace que los alerones sean simples y económicos. Este rotor presenta el problema que no puede arrancar por si mismo, teniendo que emplearse un sistema de arranque secundario, aunque una vez en marcha es capaz de mantenerse gracias a la aerodinámica de sus palas. Muchas veces se aplica al diseño de este aerogenerador, rotores Savonius para facilitar la partida. La otra forma es usar un sistema eléctrico para la partida. Usualmente se ocupa un generador de inducción conectado a la red. Una vez que el Darrieus se encuentra en velocidad de operación empieza a otorgar potencia Aerogenerador Vertical Windside Este es un prototipo concebido por una empresa finlandesa windside. Este aerogenerador es capaza de producir 50 KW y tiene la tarea de climatizar un centro comercial de Turku (Finlandia). Esta tecnología relativamente nueva y prometedora tiene rendimientos similares a los aerogeneradores de eje horizontal y es aplicada para abastecer pequeños consumos. Fig Aerogenerador Vertical Windside. 37

38 Aerogenerador Vertical Giromill Este es un nuevo modelo de aerogenerador, eficaz para soportar vientos de velocidad mayor a los de eje horizontal. De esta configuración han surgido varios modelos capaces de soportar mayores velocidades de vientos con mas alerones presentando una resistencia máxima al viento cuando se sitúa en la zona de avance de giro y prácticamente nula resistencia cuando están en la zona de retorno del generador mediante palas abatibles, como el que se muestra en la Fig. 24. Fig Prototipo Giromill Fig Aerogenerador de eje vertical para vientos fuertes. 38

39 2.3. Esquemas eléctricos para aerogeneradores A la hora de generar energía eléctrica por medio de la potencia del viento existe una gran variedad de configuraciones posibles que se diferencian en las características eléctricas, electrónicas y mecánicas. Desde el punto de vista del generador se pueden diferenciar los siguientes los asíncronos (AG) de los síncronos (SG). A su vez los primeros pueden tener rotor de jaula o rotor bobinado, mientras que los segundos pueden usar imanes permanentes o rotor bobinado. Por otra parte, se pueden distinguir las configuraciones que poseen cajas multiplicadoras y las que no las tienen. Las primeras aumentan la velocidad de giro de las palas, que es del orden de 15 RPM para turbinas grandes, para utilizar generadores rápidos, de pocos polos y compactos. Este tipo de generadores resultan atractivos pero implican el aumento de la complejidad del sistema debido a la caja multiplicadora. Por el contrario, los aerogeneradores sin caja multiplicadora tiene generadores de varios polos, más grandes y lentos. Otra importante distinción es la que existe entre la conexión directa y la indirecta. En la primera el generador entrega corriente trifásica con la frecuencia de la red, mientras que en el segundo caso el generador entrega frecuencia variable y esta debe ser rectificada y convertida en corriente trifásica mediante un dispositivo denominado conversor de frecuencia. Un conversor de frecuencia tradicional consiste de: un rectificador (AC a DC), un almacenador de energía, y un inversor (DC a AC) de frecuencia controlable. Existen tipos de conexión que rectifican parte de la potencia generada, para compensar la potencia reactiva o para excitar el inductor. Por último, un dato importante es el tipo de control de potencia, es decir, el método por el cual se controla la potencia recogida del viento por las palas. Este punto es importante no solo para regular la potencia eléctrica entregada sino también para garantizar la integridad del conjunto generador ante los periodos de viento excesivamente fuertes. El método de entrada en pérdida consiste en la reducción de la potencia recogida por las palas debida a una entrada en pérdida aerodinámica de las mismas, mientras que el método de control de ángulo de paso consiste en la regulación por cambio del ángulo de paso de las palas. Algunos de los criterios con los que se eligen las características recientemente mencionadas son el peso de los materiales activos, aplicabilidad de la electrónica de potencia, consideraciones de protecciones y aspectos de servicio y mantenimiento. Las nuevas tecnologías relacionadas a la electrónica de potencia, automatización y control hacen posible diseños innovadores. 39

40 Fig Conversión de la energía en un aerogenerador con conexión indirecta Esquemas Eléctricos para DC Dínamos Los generadores DC o dínamos convierten una energía mecánica de entrada en energía eléctrica de salida en forma de corriente continua. En la actualidad estos generadores han caído en desuso y han sido sustituidos por diodos rectificadores de silicio, que transforman la CA en DC en forma estática y con mayor rendimiento. Alternador en continua Es común generar continua mediante máquinas en alterna. Para el caso de los pequeños aerogeneradores (Potencia producida menor a 1kW) se puede afirmar que entregan su energía a una red DC, un alternador con regulador de carga puede ser capaz de almacenar energía en continua a partir de CA. Para la generación de energía eólica, la tendencia es utilizar alternadores de múltiples imanes permanentes con igual número de embobinados de estator lo cual define un gran número de polos. El descubrimiento de materiales que manifiestan un poder magnético superior ha sido determinante en el desarrollo de pequeños y mediando generadores permitiendo disminuir considerablemente su tamaño sustituyendo los electroimanes. Colocar un mayor número de imanes en el generador implica rebajar su rango de operación considerando revoluciones en el eje. Rebajar el rango de operación del alternador tiene el objetivo de evitar el uso de una caja 40

41 mecánica amplificadora de revoluciones RPM. Dejar de lado componentes mecánicos significa evitar pérdidas que comprometan la eficiencia global de la conversión energética. Fig Alternador conectado a red continua. La siguiente figura muestra el esquema de un generador de imanes permanentes y sin caja multiplicadora, que es típica en aerogeneradores pequeños usados para cargar baterías a través de un rectificador. Fig Generador de imán permanente conectado a una red continua. 41

42 En la figura anterior se puede apreciar que el rotor está constituido por imanes permanentes. Se justifica el uso de estos imanes para lograr alternadores de múltiples polos con un rotor de diámetro razonable. Si se quisiera dotar al rotor de electroimanes manteniendo el número de polos, difícilmente se lograría mantener el diámetro de la máquina y se agregaría de todas formas, una complejidad estructural importante Esquemas Eléctricos para CA Generadores Síncronos Estos Generadores tienen una velocidad de rotación proporcional a la frecuencia de red que alimenta el estator. Esta relación se define en la ecuación 1.0. Donde: n : Revoluciones por minuto [RPM]. f : Frecuencia de la red (en nuestro caso 50[Hz]). p : número de pares de polos en el estator. n = 60 f (1.0) P Estos tipos de generadores radican su importancia en que son muy utilizados en la generación de electricidad, por la facilidad de manejar la magnitud y potencia que se inyecta a la red, sólo modificando la corriente de campo. Dentro de la operación de este sistema es posible determinar cuánta potencia activa y reactiva se está aportando a la red (o, consumiendo de la red). Esto permite al generador síncrono ir ajustando el factor de potencia de forma adecuada para un funcionamiento óptimo. Para los sistemas eólicos se pueden configurar esquemas de generadores de modo que se conecten directamente a la red de un sistema interconectado. Sobre todo cuando se trata de grandes aerogeneradores. Esto se puede apreciar en los siguientes esquemas: 42

43 Fig Generador síncrono conectado directamente a la red alterna. Fig Generador síncrono con etapa de rectificación e inversión. El objetivo es que independientemente de los esquemas antes mencionados se debe mantener la sincronización para el ingreso de la energía a la red trifásica. Para el caso de la figura 2.21, el sincronismo dependerá principalmente de la velocidad del rotor del generador, el cual se puede ajustar con medidas aerodinámicas que incluye, cambio de ángulo de ataque en las aspas, caja amplificadora de razón variable o ambas. 43

44 Para la figura 2.22, no será importante la velocidad de giro del generador, independiente de esto, la frecuencia inicial se someterá a una rectificación mediante un puente rectificador trifásico para obtener a partir de esta una señal continua. Luego de esto se somete esta señal a un inversor para generar nuevamente las tres fases alternas, típicas en los sistemas trifásicos con características de frecuencia 50 Hz y desfase de 120. Además se puede optimizar el sincronismo de forma más eficaz y más controlada que con el esquema de la figura El diseño de un alternador de múltiples polos puede otorgar la posibilidad de eliminar la caja amplificadora de RPM llevando la velocidad de operación de la máquina a la velocidad de rotación de las aspas. Lo que permite mejorar la eficiencia eliminando perdidas asociadas. Para poder controlar la frecuencia de salida y el nivel del voltaje se efectúa con electrónica de potencia, es decir, añadiendo componentes como lo son de rectificación e inversión. El esquema de esta configuración se muestra a continuación en la figura Fig Generador síncrono de múltiples polos. 44

45 2.3.4 Generadores Asíncronos Se basan en el fenómeno de campo magnético rotatorio resultante, al alimentar los embobinados de estator con voltajes sinusoidales trifásicos desfasados en 120 entre sí. Se definen asincrónicos porque la velocidad del rotor no es la del sincronismo impuesto por la red. La máquina más popular, es el motor e inducción de jaula de ardilla, el que conectado a la red puede operar como generador. Generalmente estas máquinas se utilizan como motores trifásicos y no como generadores. Los generadores de Inducción se utilizan como generadores al estar conectados a la red trifásica manejando el deslizamiento. No necesitan control, salvo el manejo de la potencia mecánica y por su estructura de rotor de jaula de ardilla no tiene escobillas conectadas, lo cual los exenta de las mantenciones típicas que tiene las máquinas eléctricas de rotor bobinado. También utiliza un cicloconversor en la salida que permite bajar el nivel de voltaje generado adaptándolo al nivel de la red. Utilizando como concepto convencional en generadores de gran potencia. El banco de capacitores compensa la potencia reactiva y el arrancador suave proporciona una conexión suave a la red. Esto último es importante ya que si se conectara el aerogenerador a la red con un seccionador existiría una repentina caída de tensión en la red debido a la energía necesaria para magnetizar el generador. Esto se soluciona utilizando grandes tiristores que conectan el generador progresivamente, esto se aprecia en la siguiente figura: 45

46 Fig Generador asíncrono con arrancador suave y banco de capacitores. En la figura anterior también se puede remplazar el arrancador suave y el banco de capacitores por un cicloconversor tiristorizado y conectarlo directamente a la red alterna. Otra configuración emplea un generador de doble alimentación (ver Fig. 2.25). Un conversor de frecuencia controla directamente las corrientes en los bobinados del rotor. Esto permite el control de la salida del generador. Este concepto es atractivo por dos razones: 1. Velocidad variable en un rango más amplio. 2. Más barato que la configuración que utiliza un conversor de frecuencia. Fig Generador asíncrono conectado directamente a la red alterna doblemente alimentado. 46

47 La figura anterior pertenece a la gama de las máquinas de inducción que utilizan embobinado del rotor, este puede estar en cortocircuito, para operar como jaula de ardilla. La ventaja de tener embobinados de rotor es la posibilidad de controlar la magnitud de la corriente que circula por ellos y así modificar el deslizamiento favorablemente. La figura siguiente es otro ejemplo de estas configuraciones: Fig Generador asíncrono con etapa de rectificación e inversión. 47

48 CAPITULO III MODELOS PARA EL USO DE LA ENERGÍA EOLICA 48

49 3.1. Analizando el Viento El Recurso Eólico, Potencia del viento Una de las características del recurso eólico es su condición aleatoria y variable, por cuanto depende de condiciones atmosféricas. Asimismo, los vientos potencialmente aprovechables para la generación de electricidad se encuentran concentrados en zonas relativamente pequeñas o sitios específicos, por lo que el primer paso para su aprovechamiento es la prospección (o evaluación de las características del viento). Para ello, existen diferentes técnicas, que van desde la referencia popular hasta el uso de imágenes de satélite. Sin embargo, no importa qué tan sofisticados sean los métodos de prospección; la evaluación de la factibilidad técnico-económica de un proyecto Eolo-eléctrico exige un conocimiento detallado del comportamiento del viento y, para ello, es imprescindible llevar a cabo mediciones anemométricas in situ. Se conoce que el aire posee masa, se manifiesta en forma de viento que lleva consigo energía cinética que, mediante una turbina eólica, puede transformarse en electricidad. E (cinética): energía cinética del viento en [J]. m(aire): Masa del aire en [Kg]. V: velocidad del viento en [m/s]. E (cinética) = 1 m(aire) v ² (2.0) 2 De la ecuación anterior se puede definir la potencia del viento como: P: potencia del viento en [W]. P[w] = de = 1 dm v ² (2.1) dt 2 dt La potencia es definida respecto a la cantidad de aire (masa) que circula por un determinado sector del espacio. 49

50 También se tiene que la masa puede ser expresada como: m[kg] = ρ [ Kg/m³ ] V [ m³ ] (2.2) ρ : densidad del aire en [ Kg/ m³ ]. V: volumen de aire [ m³ ]. Pero definir la variación de masa en el tiempo conlleva una variación del volumen de aire que circula por el mismo sector: dm = ρ dv (2.3) dt dt A su vez el flujo esta definido como: F: flujo de aire [m³/s]. F [m³/s] = dv (2.4) dt También es válida la siguiente igualdad: F [m³/s] = A [m²] v[m/s] (2.5) A: sección ortogonal al vector de velocidad del aire en [m²]. Se puede definir la variación de volumen en el tiempo como: dv = A [m²] v[m/s] (2.6) dt Se considera A con temperatura de 15 C y a presión normal la densidad es de 1,225[ Kg/ m³ ]. Sustituyendo la ecuación 2.6 en la ecuación 2.3 se obtiene: 50 dm = ρ A [m²] v[m/s] (2.7) dt

51 Luego, sustituyendo 2.7 en 2.1. se obtiene la ecuación que define el comportamiento de la potencia de una masa de aire (viento) que se desplaza con una cierta velocidad por unidad de superficie: P = 1 ρ A v³ (2.8) 2 Se puede notar que los factores que definen esta potencia son: A : superficie [m²]. ρ : densidad del aire [Kg/ m³] (varía con la temperatura, la altura y la humedad) v : velocidad del viento [m/s]. La ecuación 2.8 expresa la potencia en función del cubo de la velocidad del viento y proporcional a la superficie de la sección. Se puede afirmar que la potencia sigue un comportamiento cuadrático respecto al diámetro del aerogenerador si se considera la velocidad del viento como constante. Fig Potencia del viento. El gráfico de la figura 3.1, muestra que si por ejemplo consideramos una velocidad del viento de 8[m/s] obtendríamos una potencia de 314[w] por cada metro cuadrado expuesto al viento (viento incidiendo perpendicularmente al área barrida por el rotor). A 16[m/s] obtendremos una potencia ocho veces mayor, esto es, 2509[w/m²]. En conclusión se obtiene que la potencia crece proporcionalmente con el cubo de la velocidad y al cuadrado respecto al radio del aerogenerador (superficie). 51

52 3.1.2 La ley de Betz La ley de Betz fue formulada por primera vez por el físico alemán Albert Betz en su libro Wind-Energie, publicado en 1926, proporciona buena parte del conocimiento que en ese momento se tenía sobre energía eólica y aerogeneradores. Betz, define la potencia captada por un obstáculo que frena el libre movimiento del viento. Fig Comportamiento del viento frente a un aerogenerador. La potencia captada por el aerogenerador se define como la diferencia instantánea de la energía cinética del viento antes y después de pasar por el obstáculo en un tiempo Δt. P(captado) = E(cinética 1) E(cinética 2) = 1 Δm(aire) (V1² - V2²) (2.9) Δt 2 Δt También existe otra forma para definir la masa del aire que pasa por el aerogenerador, esto se logra considerando el promedio de las velocidades antes y después del obstáculo: Δm(aire) = ρ A (V1 + V2) (2.10) Δt 2 Así, sustituyendo la masa del aire con lo expresado en la ecuación 2.9: P (captado) = 1 ρ A (V1² - V2²) (V1 + V2) (2.11) 4 Luego de esto, se puede definir entonces: la razón entre la potencia captada sobre la potencia del viento incidente definida por la ecuación 2.8 (donde v = V1) como: P(captado) = 1 [1 (V2/V1)²] [ 1 + (V2/V1)] (2.12) P(viento) 2 52

53 Lo anterior permite definir una función P(captado)/P(viento) v/s una variable V2/V1 tal como se muestra en la figura siguiente: Fig Curva de eficiencia de Betz. La curva obtenida en la figura 36, define un máximo en V2/V1 = 1/3 con una potencia máxima captada de P(captada) = (16/27) P(viento). Como resumen se define entonces la siguiente ecuación (3.0), que se denomina Ley de Betz que representa la máxima cantidad de energía del viento que se puede transformar en energía mecánica rotacional. P(captado) = 0,59 P(viento) (3.0) Esta ecuación representa un límite teórico ideal ya que no considera los siguientes factores reales de operación: Resistencia aerodinámica de las palas. La compresibilidad del fluido. La interferencia de las palas. 53

54 3.1.3 La distribución de Weibull Si mide las velocidades de viento a lo largo de un año, observará que en la mayoría de áreas los fuertes vendavales son raros, mientras que los vientos frescos y moderados son bastante comunes. La variación del viento en un emplazamiento típico suele describirse utilizando la llamada Distribución de Weibull, como se muestra en la siguiente figura: Fig Distribución de viento de Weibull. Este emplazamiento particular tiene una velocidad media del viento de 7 m/s y la forma de la curva esta determinada por un parámetro de forma de 2. El área bajo la curva siempre vale exactamente 1, la mitad del área azul esta a la izquierda de la línea negra vertical a 6,6 metros por segundo. Los 6,6 m/s son la mediana de la distribución. Esto significa que la mitad del tiempo el viento soplará a menos de 6,6 m/s y la otra mitad soplará a mas de 6.6 m/s. Por otro lado, las velocidades del viento de 5,5 m/s son las más comunes. Los 5,5 m/s es el llamado valor modal de la distribución. La distribución estadística de las velocidades del viento varía de un lugar a otro del globo, dependiendo de las condiciones climáticas locales, del paisaje y de su superficie. Por lo tanto, la distribución de Weibull puede variar tanto en la forma, como en el valor medio. 54

55 3.1.4 La Rugosidad Es importante cuantificar el efecto de la morfología del territorio circundante al aerogenerador sobre la velocidad del viento. Lo que se conoce como rugosidad. La siguiente expresión (3.1), define la rugosidad, la cual se modifica dependiendo de los obstáculos físicos presentes en el entorno que inciden sobre el desplazamiento del aire: V(z) = V(ref) [ Ln(z/zo) / Ln(zref/zo) ] (3.1) En donde: Z es la altura desde el suelo. V(ref) es la velocidad medida a una altura Z(ref). Zo es la longitud de la rugosidad (ver tabla 1.0). TABLA 1.0 RUGOSIDAD Rugosidad Tipo de Paisaje 0 Superficie del Agua 0,5 Terreno completamente abierto con una superficie lisa 1 Agrícola abierta sin cercados ni setos y con edificios muy dispersos 1,5 Agrícola con algunas casas y setos (dist [m]) 2 Agrícola con algunas casa y setos (dist. 500 [m]) 2,5 Agrícola con muchas casas, arbustos y planta (dist. 250 [m]) 3 Pueblos, ciudades pequeñas, terreno agrícola 3,5 Ciudades más grandes con edificios altos 4 Ciudades muy grandes con edificios altos y rascacielos TABLA 1.1 COEFICIENTES DE RUGOSIDAD Clase de Rugosidad Longitud de rugosidad [m] Índice de energía (%) , , , ,

56 3.1.5 Emplazamiento Los aerogeneradores deben ubicarse en zonas con un mínimo de obstáculos ya que estos pueden disminuir la velocidad del viento de forma significativa y a menudo crean turbulencias en torno a ellos. La zona de turbulencia puede extenderse hasta una altura alrededor de tres veces superior a la altura del obstáculo. Fig Emplazamiento. También hay que tener en cuenta la orografía del terreno, deben situarse en zonas elevadas, si se toma un paso estrecho entre dos montañas, la velocidad del viento crecerá considerablemente por medio del efecto túnel. Se debe tener en cuenta la rugosidad del terreno ya que cuanto más pronunciada sea, mayor será la ralentización que experimente el viento Función de densidad de potencia Sabemos que la potencia varía proporcionalmente al cubo de la velocidad del viento y proporcionalmente a la densidad del aire. Se puede obtener una aproximación a la potencia producida por la turbina como se aprecia en el siguiente gráfico de la figura 3.6. Fig Potencia del viento. 56

57 El área bajo la curva gris nos da la cantidad de potencia eólica por metro cuadrado de flujo del viento que puede esperarse en este emplazamiento en particular. En este caso tenemos una velocidad del viento media de 7 m/s y un Weibull k=2, por lo que tenemos 402 W/m². Observe que esta potencia es casi el doble de la obtenida cuando el viento sopla constantemente a la velocidad media. El área bajo la curva azul indica que cantidad de potencia puede ser teóricamente convertida en potencia mecánica ley de Betz. El área total bajo la curva roja nos dice cual será la potencia eléctrica que un aerogenerador producirá en dicho emplazamiento. Aproximadamente un 60% Escala de Beaufort Una de las características del recurso eólico es su condición aleatoria y variable, por cuanto depende de condiciones atmosféricas. Asimismo, los vientos potencialmente aprovechables para la generación de electricidad se encuentran concentrados en zonas relativamente pequeñas o sitios específicos, por lo que el primer paso para su aprovechamiento es la prospección (o evaluación de las características del viento). Para ello, existen diferentes técnicas, que van desde la referencia popular hasta el uso de imágenes de satélite. Sin embargo, no importa que tan sofisticados sean los métodos de prospección; la evaluación de la factibilidad técnico-económica de un proyecto eolo-eléctrico exige un conocimiento detallado del comportamiento del viento y para ello, es imprescindible llevar a cabo mediciones anemométricas in situ. Las estimaciones exactas de la velocidad del viento son críticas al momento de evaluar su potencial aprovechable en cualquier localización. Los recursos eólicos son caracterizados por una escala de clases de viento según su velocidad, que se extiende de la clase 1 (la más baja) a la 7 (la más alta), llamada escala de Beaufort (ver tabla 1.2). Los desniveles dela superficie a través de la cual sopla el viento antes de llegar a la turbina, determinan la cantidad de turbulencia que esta experimentará. 57

58 TABLA 1.2. ESCALA DE BEAUFORT Escala de Beaufort Velocidad del viento (Km/h) Denominación del viento 0 Menos de 1 calma 1 1 a 5 ventolina 2 6 a 11 muy flojo 3 12 a 19 flojo 4 20 a 28 bonancible 5 29 a 38 fresquito 6 39 a 49 fresco 7 50 a 61 frescachón 8 62 a 74 duro 9 75 a 88 muy duro a 102 temporal a 117 borrasca 12 más de 117 huracán Rendimiento de aerogeneradores Teniendo en cuenta la ley de Betz, sabemos que no se puede convertir toda la energía del viento en energía mecánica rotacional. El límite de Betz se ve disminuido por varios elementos que conllevan distintas pérdidas en el proceso de conversión de energía. Lo anterior lo podemos expresar de la siguiente forma: Pmec = Cp Pviento = Cp 1 ρ A v³ (3.2) 2 En donde Cp no puede superar el límite de Betz. Y adicionalmente: Donde: Peléctrica = Ce Pmec = Ce Cp Pviento = Ce 1 ρ A v³ (3.3) 2 Ce es la eficiencia (aproximadamente un 90%) de la máquina eléctrica. Cp no es constante y varía principalmente con la velocidad del viento. Una manera más útil para determinar la eficiencia del aerogenerador es utilizando la relación de velocidad tangencial o TSR¹. Es un término que sustituye al número de revoluciones por minuto de la turbina; sirve para comparar el funcionamiento de máquinas eólicas diferentes, por lo que también se le suele denominar velocidad específica. 58

59 ¹TSR ( Tip Speed Ratio) Lo anterior se define como: En donde: λ = raer waer (3.4) vviento λ = TSR raer = Radio aerogenerador en [m]. waer = Velocidad angular de la turbina en [rad/s]. vviento = Velocidad del viento en [m/s]. Lo anterior se puede observar en la figura 3.7. En donde se puede apreciar los rendimientos de distintos modelos de aerogeneradores. Se tiene que los aerogeneradores de modelos Darreus y de tripala horizontal pueden alcanzar velocidad rotacional muy elevada y esto hace que la variable wr se desligue de la velocidad del viento e inclusive que la supere en su componente tangencial, logrando TSR > 1. Mientras que para otros modelos como los aerogeneradores verticales sería difícil superarlos, porque no lograrían una velocidad rotacional independiente y superior a la que impone el viento. Pero esto no implica que se puedan lograr buenos Cp con bajos TSR. 59

60 Fig Cp versus TSR. La siguiente tabla muestra los distintos Cp para varios modelos de aerogeneradores. TABLA CARACERÍSTICAS GENERALES DE DISTINTOS GENERADORES EÓLICOS Tipo de Aerogenerador Velocidad de operación Torque Construcción Cp Eje Horizontal de moderadas RPM moderada bajo moderada de altas RPM alta muy bajo de precisión Eje Vertical Savonius moderada medio moderada 0.15 Darreus moderada muy bajo de precisión de moderadas RPM moderada muy bajo de precisión