Energía Eólica

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El 1 enero, 2000
En Articulos, Energías Alternativas, Medio Ambiente
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Introducción

La energía Eólica es aquella que podemos obtener de la fuerza del viento. La utilización del viento como una fuente de energía ha sido tema de interés en todo el mundo en la última década. En el pasado el viento ha sido una importante fuente de energía, que se ha aprovechado en los molinos de viento, y en el bombeo de agua. El mayor interés que existe actualmente es la producción de electricidad a partir del viento con el fin de sustituir los costosos combustibles fósiles. Existen diversos aparatos con diseños y tamaños adecuados para las diferentes necesidades. Algunos son con eje vertical. La mayor parte de los generadores con eje vertical se han empleado para bombear agua y otro tipo de trabajos mecánicos.

Generador eólico

Un generador eólico está constituido por:

Un aeromotor de dos o tres palas: provisto de un sistema de regulación, que confiera al rotor una velocidad de rotación estable a partir de cierta velocidad del viento, y un sistema de seguridad destinado a frenar la máquina en caso de tempestad, si el sistema de regulación es inoperante a altas velocidades.

Un generador eléctrico que puede estar:

directamente acoplado al aeromotor. En el caso más sencillo las palas van directamente montadas en el eje del generador.
acoplado a un multiplicador, colocado entre el aeromotor y el generador. Se verá que la velocidad de rotación depende del diámetro del rotor y disminuye cuando el diámetro aumenta. Entonces para tener un buen rendimiento, es necesario aumentar las revoluciones del aeromotor antes de acoplarlo al generador.
Mecanismo de giro, que permita a la máquina estar siempre orientada en la dirección del viento, cualquiera que sea esta. La energía producida en la parte móvil, se transmite por medio de un dispositivo colector asociado al mecanismo de rotación.
Cárter o armazón, que envuelva y proteja a todas las piezas del conjunto del los factores climáticos.
Una cola, en el caso de que la máquina funcione de cara al viento, para obtener una orientación según los movimientos de la masa de aire.
Torre de soporte: Es una estructura en la cual van montadas las aspas y generador de electricidad
Cables de tensión: Son cables que sirven de soporte para sostener la torre y que no sea derribada por el viento.

Condiciones Climáticas.

En general la energía eólica conjuntamente con otras fuentes de energía no convencionales, tendrá importancia en la contribución al suministro mundial de energía en el futuro, el cual deberá aprovechar todas las fuentes que sean razonablemente utilizables. Las principales dificultades que presenta el aprovechamiento de esta fuente son: las variaciones en la velocidad del viento y la incapacidad de asegurar un suministro regular o constante.

Las mejores condiciones para la utilización de energía eólica son:

Terrenos llanos, particulares en regiones costeras. Donde existen cumbres planas o colinas solitarias sin laderas escarpadas.
Valles planos y extensos, expuestos en la dirección del viento predominante. El plan energético argentino: prevé una potencia instalada en nuestro país de 15.OOOMW. Si pensamos que un 5 % podría implementares con turbinas eólicas, esto representaría una instalación de 750 MW. Esta cantidad implica la demanda energética que podría confiarse a

las centrales eólicas en el futuro, sobre todo considerando que el país posee elevados niveles de vientos medios.

Por lo general las instalaciones eólicas en Europa se encuentran en sitios con promedios de vientos que apenas superan los 7m/s. En la Patagonia son muy comunes los sitios con promedios de vientos que rondan los 9 m/s. En la región Patagónica, la dirección, constancia y velocidad del viento son tres variables que presentan un máximo en forma casi simultánea, conformando una de las regiones de mayor potencial eólico del planeta. Con un promedio de vientos de 7 m/s se puede estimar que en un km2 se obtiene una producción de 23 GWh/año. En km2 se pueden ubicar unas 16 turbinas medianas de 450-500 kW de capacidad.

La producción de energía eléctrica a partir del viento se fundamenta en el mismo principio que los molinos de viento. Consiste en una turbina eólica cuya energía es proporcional al cubo de la velocidad del viento, de allí que por pequeñas que sean las variaciones éstas se reflejan de manera significativa en la producción.

Las Palas

Las palas son una parte muy importante del aeromotor. De su naturaleza dependen el buen funcionamiento y la duración de la vida de la máquina, así como su rendimiento.

Hay muchos elementos que caracterizan estas palas:

Longitud
Anchura
Perfil
Materiales
Número

La longitud de las palas.

El diámetro de las palas está en función de la potencia deseada. La determinación de éste, fija también la frecuencia de rotación máxima, que la hélice no deberá pasar para evitar las tensiones en la punta de las palas, debidas a la fuerza centrífuga. Es esencial tener en cuenta la fatiga de las palas y los riesgos de vibraciones, sobre todo para las palas muy largas.

*Ý en m*	1	2	5	10	20	50
N max (rpm.)	2000	1000	400	200	100	40

Anchura. (Longitud de la cuerda del perfil).

La anchura de las palas no interviene en la potencia del aeromotor, que esta en función de la superficie barrida. La anchura interviene en el par de arranque (que son dos fuerzas de igual magnitud y sentido opuesto, cuyas líneas de acción son paralelas pero no coinciden. Estas no producen traslación, el único efecto del par es la rotación) que será mayor cuanto más ancha sea la pala, pero para obtener velocidades de rotación elevadas se prefieren las palas finas y ligeras. Entonces el resultado será s un compromiso entre estos dos factores.

Materiales.

Contrariamente a lo que se cree frecuentemente, no es la propia aerodinámica en donde está la dificultad, sino en la construcción y la resistencia de los materiales de la pala.

El material utilizado para las palas debe responder en los aeromotores modernos a frecuentes elevaciones de rotación y a otras exigencias, a veces contradictorias:

Ligero.
Perfectamente homogéneo para facilitar la producción en serie.
Indeformable.
Resistente a la fatiga mecánica (en particular a las tensiones alternas debidas al funcionamiento de los rotores y las vibraciones).
Resistente a la erosión y a la corrosión.
De uso y producción sencillos.
Coste bastante bajo para que el aeromotor se pueda construir y vender.

Actualmente se encuentran cuatro tipos de materiales para hacer las palas de la hélice.

a) Madera.

Presenta ciertas ventajas: Es sencilla, ligera, fácil de trabajar y resiste bien la fatiga.

b) Metal.

Por lo general en las palas se emplea una aleación ligera con silicio o con magnesio, ya que con estos materiales se pueden obtener costes muy bajos si se producen grandes series (aluminio moldeado, hilado o repujado).

c) Materiales sintéticos, resinas, fibras y otros.

Algunos aeromotores funcionan con palas de materiales plásticos (10 KW bipala, fabricado en Alemania Federal, bajo la dirección de M.U. Hutter, Lübing), pero estos materiales, siendo muy interesantes en ciertos aspectos, como:

poco peso;
insensibilidad a la corrosión;
buena resistencia a la fatiga, presentan ciertos inconvenientes que podrían reducirse:
coste elevado;
falta de homogeneidad en la construcción; las características dimensionales pueden variar de una pala a otra.

Los aeromotores realizados por ERDA en colaboración con la NASA, están equipados con palas de fibra de carbono, según la tecnología utilizada en los helicópteros.

d) Palas compuestas.

Las palas con diferentes materiales son una buena solución, en particular para los aeromotores de pequeña y mediana potencia. Ejemplos:

Aleación ligera + espuma de poliuretano
Aleación ligera + poliéster y fibra de vidrio
Madera + poliéster
Madera + metal

Las palas son la parte del aeromotor que sin duda tienen que evolucionar más.

Número de palas.

Las máquinas que se construían antes eran generalmente tripalas, pero en la actualidad suelen ser bipalas, aunque sean de pequeña o gran potencia.

BIPALA

Ventajas

Inconvenientes

– Velocidades de giro muy altas que permiten rendimientos elevados.

– Máquina muy simple en particular por su tipo de regulación.

– Máquina más ligera y multiplicador más pequeño.

– Conjunto menos costoso.

– Sensible a las vibraciones, es el principal inconveniente puesto que a igualdad de calidad la hélice bipala es menos resistente.

– Más ruidosa por la velocidad de giro, ya que la velocidad de la punta de la pala es más elevada.

EL GENERADOR ELECTRICO Y EL MULTIPLICADOR

EL GENERADOR ELECTRICO.

El aeromotor puede accionar directamente o indirectamente (a través de un multiplicador), dos tipos de generador eléctrico:

1) Generador de corriente contínua (dínamo).

2) Generador de corriente alterna (alternador).

Estos transformarán la energía mecánica en energía eléctrica, teniendo en cuenta las pérdidas ocurridas dentro el generador.

La fórmula de la transformación de energía es:

Cu * 2Ò * n

Cu: par del aeromotor (N*m)

n: velocidad de rotación (rpm)

i: Corriente proporcionada por el aerogenerador a una tensión U

1) GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA. (Dínamo)

La máquina está formada por dos partes bien diferenciadas:

El circuito magnético (bobina de inducción) que crea un campo de inducción en el entrehierro y recibe el nombre de inductor.
El bobinado de inducido en el que se recupera la energía eléctrica producida por la rotación del rotor accionado por el aeromotor.

Para recuperar esta energía, el inducido va provisto de un colector, que en la mayoría de los casos va provisto por dos sectores aislados de 180.

Dos escobillas, situadas una frente a otra, se ponen en contacto sucesivamente con el sector A después con el sector B, lo que permite que la corriente circule siempre en el mismo sentido en la utilización. En realidad, el colector consta de un gran número de sectores, que corresponden a otros tantos conductores, pero su papel es el mismo: hacer circular una corriente de igual sentido por todos los conductores de un mismo polo.

Si se considera que ese flujo producido por la bobina de excitación es constante (máquina compensada), la corriente proporcionada es proporcional a la velocidad de rotación. La relación entre la tensión en bornes de la máquina y la corriente es:

u = E – R * i

E: fuerza electromotriz de la dínamo.

R: resistencia de inducido.

i: Corriente suministrada a la carga.

2) GENERADOR SINCRONO DE CORRIENTE ALTERNA.

La máquina consta de las siguientes partes.

1. La bobina de excitación que crea el campo magnético en el cual el entrehierro es móvil, es el rotor accionado por el aeromotor. Puede ser de dos tipos:

Rotor bobinado alimentado por dos colectores continuos en los que la corriente circula siempre en el mismo sentido.
Rotor de imanes permanentes, con lo que se suprimen escobillas y colectores, que pueden ser causa de averías.

2. El inducido, en el que se recupera la energía, solidario a la carcasa, y conectado a la utilización. Este al estator, y puede ser monofásico o trifásico. El trifásico permite obtener una tensión alterna casi sinuosidal (curva representativa de los valores del seno) y, por tanto, mejor rendimiento.

Ventajas e inconvenientes.

El principal inconveniente de la dínamo es la presencia de escobillas y colectores, que requieren un mantenimiento periódico. Por otra parte, la dínamo es más pesada y cara que un generador de corriente alterna.

Pero no necesita ningún dispositivo complicado para la carga de baterías.

Un simple diodo, (válvula de vació termodiónica formada por dos electrodos; conectada a un circuito permite el paso de la corriente en un solo sentido), que soporte la intensidad nominal de la dínamo, será suficiente para evitar que la batería pueda ser cortocircuitada por el inducido, cuando esté parado.

El alternador, principalmente del tipo de rotor de imanes permanentes, presenta muchas ventajas. Su mantenimiento es nulo debido a la total ausencia de piezas en rozamiento. Para una misma potencia es más ligero y económico.

Pero debe girar a una velocidad más elevada y más estable que la dínamo (en general 3000 rpm) y además requiere un rectificador para la carga de baterías. A pesar de los inconvenientes propios de alternador, su utilización está generalizada, excepto para aeromotores de pequeña potencia, en los que la estabilidad de la velocidad de rotación no es suficiente.

En general, se utilizan alternadores trifásicos de imanes permanentes.

El multiplicador

Se comprobó que el empleo de alternadores obliga a utilizar un multiplicador.

Efectivamente, los rotores de diámetro superior a los 5 metros, tienen velocidades de rotación demasiado bajas (<200rpm) para poder accionar directamente un alternador clásico.

Por tanto, para estas máquinas, es imprescindible intercalar un multiplicador entre el aeromotor y el generador.

Hay tres tipos de multiplicador que pueden utilizarse con los aeromotores:

El más sencillo es el multiplicador de engranajes, de uno o varios ejes de ruedas dentadas cilíndricas. Es económico, pero de construcción embarazosa para conseguir relaciones de multiplicación elevadas.
El empleo de trenes planetarios permite obtener multiplicaciones elevadas en un espacio reducido. La repartición de pares y esfuerzos entre varios satélites, así como la disposición coaxial, (perteneciente al eje o concerniente a él), de los ejes de entrada y salida facilitan una construcción compacta y relativamente ligera. Los satélites, arrastrados por un tren, engranan por una parte con el piñón colocado en el eje de salida, y por otra con una corona exterior fija. El eje de entrada es solidario con el tren que mueve satélites.
El reductor de acoplamiento cónico, permite disponer el eje de salida perpendicular al de entrada.

En todos los casos, los dientes helicoidales aseguran un mejor rendimiento y también un funcionamiento más silencioso.

Equipos Eólicos Instalados en Argentina

-Pico Truncado: (Santa Cruz):1000 kW
Generadores: 10 de 100 kW (Ventis 20-100, alemanes)
Fecha de conexión: 8/5/95 3 generadores (total: 300 kW)
29/1/96 7 generadores (total: 1000 kW)
Propiedad de la municipalidad de Pico Truncado
Viento: promedio de 9 m/s
Distribución: red local (4100 viviendas) y Red Patagónica

-Comodoro Rivadavia: (Chubut): 500 kW
Generadores: 2 de 250 kW (MICON M530-250/50 kW, dinamarqueses)
Fecha de conexión: 19/1/94 2 generadores (total: 500 kW)L
la Cooperativa Eléctrica conformó con MICON e IFU (entidad financiera del estado danés)
la empresa PECORSA.Es propiedad de PECORSA
Viento: promedio de 9.3 m/s
Distribución: distribución local

-Rada Tilly: (Chubut): 400 kW
Generadores: 1 de 400 kW(MICON 750-400/100 kW, danés)
Fecha de conexión : 18/3/96 1 generador (total: 400 kW)
Es propiedad de COAGUA ( Coop.de Servicios de Rada Tilly)
Viento: 10,8 m/s a la altura del rotor
Distribución: Venta a la Cooperativa de Comodoro Rivadavia (red local)

-Río Mayo: (Chubut):120 kW
Generadores: 4 de 30 kW (Aeroman, alemanes)
Fecha de conexión : Funcionan desde 1989
Viento: promedio anual de 8 m/s
Distribución: Red local (Río Mayo) (alrededor del 30%)

-Tandil:: (Buenos Aires):800kW
Generadores: 2 de 400 kW (MICON M750-400/100kW dinamarqueses)
Fecha de conexión : 26/5/95 los dos generadores.
Son propiedad de CRETAL, Cooperativa Eléctrica de Tandil-Azul Ltda.
Viento: 6,9 m/s a la altura del rotor
Distribución: red local (rural), además le vende el excedente a ENSEBA mediante acuerdo logrado a partir de 1996.

-Punta Alta: (Buenos Aires):400kW
Generadores: 1 generador (MICON M750-400/100kW, danés)
Fecha de conexión: 17/2/95 1 generador
Es propiedad de la Cooperativa Eléctrica de Punta Alta Ltda.
Viento: 7,3 m/s a la altura del rotor
Distribución: Red local.

-Cutral-Có: (Neuquén):400kW
Generadores: 1 generador (MICON M750-400/100kW, danés)
Fecha de conexión: 20/10/94 1 generador
Es propiedad de COPELCO, Cooperativa Eléctrica de Cutral-Có.
Viento: 7,2 m/s a la altura del rotor
Distribución: Red local.

Bibliografía: