Energía eólicaEnergía eólica

Copyright © Jorge Rodríguez Araújo, grrodri@gmail.com9 de febrero de 2009

IntroducciónIntroducción

Las instalaciones eólicas obtienen energía eléctrica por medio de los generadores eólicos (aerogeneradores), que son los encargados de captar la energía que transporta el viento y convertirla en electricidad.

Las características del viento hacen que la mayor limitación de este tipo de instalaciones esté en la predicción con fiabilidad de las condiciones de viento, lo que permitiría integrar de forma eficiente este tipo de energía en el mercado eléctrico.

El vientoEl viento

El viento se debe al desplazamiento de las masas de aire que causan las diferencias de temperatura entre las diversas zonas del planeta.

Debido a que la insolación es mayor en las zonas del ecuador, se generan bolsas térmicas de baja densidad y alta presión que provocan su

desplazamiento hacia las zonas de baja presión y mayor densidad, generándose de este modo desplazamientos de las masas de aire entre los distintos puntos del planeta.

Al ser el viento una masa que se desplaza contendrá una determinada cantidad de energía debida a su velocidad (energía cinética). Pero, dada su naturaleza no podrá ser almacenado, y debido a que se encuentra en continua variación su carácter resulta casi imprevisible. Debido a esto, la mejor forma de caracterizarlo es por medio de su velocidad media, y sus variaciones.

Dado que estas variaciones de velocidad pueden ser lentas y suaves, o en forma de ráfagas, bruscas y de corta duración, o turbulentas, de carácter aleatorio, las máquinas deben estar preparadas para soportarlas.

En un determinado período de tiempo la velocidad media del viento en un emplazamiento determinado presentará una determinada serie de variaciones que podrá ser descrita por medio de su distribución frecuencial. Por ello, se emplean para modelarla distribuciones probabilísticas continuas, como la de Weibull o la de Rayleigh. Además, se tiene que la desviación típica de estas distribuciones caracteriza lo que se denomina intensidad de turbulencia.

También se sabe que la velocidad media del viento en un lugar depende de la rugosidad del terreno y aumenta con la altura según una ley exponencial a la que se denomina cortadura.

Dicho esto, las principales dificultades

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1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 290

0,02

0,04

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0,12

Distribución de velocidades del vientoHistograma de v elocidades en un emplazamiento

Weibull

Velocidad del v iento [m/s]

Frec

uenc

ia re

lativ

a

encontradas a la hora de aprovechar el viento en la generación eléctrica, son:

– Los problemas eléctricos de estabilidad de la red causados por la variabilidad de la generación.

– La imposibilidad de controlar que la dirección de incidencia del viento sea perpendicular al área barrida por el rotor, lo que disminuye el aprovechamiento aerodinámico.

– La predicción de las condiciones del viento, para la integración de su generación en el mercado eléctrico.

– La variabilidad de la velocidad del viento limita su uso a un rango en el que no es ni demasiado baja, ni demasiado elevada. Dado que una velocidad reducida no produce un balance de energía positivo, o sea, se consume más de lo que se produce, y una velocidad elevada provoca unos elevados esfuerzos mecánicos que imposibilitan su uso.

AerogeneradoresAerogeneradores

Aunque existen multitud de tipos de aerogenerador, el más empleado es el de eje horizontal tripala orientado a barlovento, o sea, enfrentado al viento.

En los aerogeneradores de eje horizontal su cuerpo, que está compuesto por la góndola y el rotor, se encuentra elevado por medio de una torre.

Estas torres tubulares de acero, ya que las de celosía han dejado de usarse por motivos estéticos, de seguridad y comodidad (a pesar de ser más económicas), elevan el rotor permitiendo que capte vientos de mayor velocidad.

La góndola contiene en su interior los diferentes dispositivos que van a transformar la energía mecánica del rotor en energía eléctrica, y dispone de anemómetro y veleta para facilitar la información requerida al sistema de control.

El elemento principal del aerogenerador es el rotor, dado que es el encargado de captar la energía del viento y transformarla en mecánica logrando una velocidad prácticamente constante para transmitir al eje principal, y de este modo mover el generador, y se encuentra formado por las palas que se unen mediante el buje.

Como la energía captada depende directamente del área barrida por el rotor, se busca maximizar el tamaño de las palas.

Las palas de un aerogenerador son muy similares a las de un avión, siendo habitualmente de poliester o resina epoxi reforzados con fibra de vidrio. Su forma alabeada les permite garantizar que el ángulo de ataque sea el óptimo a lo largo de toda la longitud de la misma. Además, pueden ser fijas (stall: regulan la captación de potencia por pérdida aerodinámica) o móviles (picth: regulan la captación de potencia por variación del ángulo de ataque) según el sistema de control de potencia empleado.

Así, las palas, transmiten el movimiento a un árbol de baja velocidad (20 – 30 rpm) por medio del buje hasta el multiplicador, que permite adaptar la velocidad hasta los requerimientos del generador.

Como el multiplicador es el encargado de adaptar la velocidad a los requerimientos del generador, pasando del entorno de las 20 rpm al de las 1500 rpm que supondría un generador de dos pares de polos, es uno de los elementos más críticos y se encuentra refrigerado por un ventilador que enfría su aceite.

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Ilustración 1: Esquema de un aerogenerador tripala a barlovento

Viento

Pala

Góndola

Centro detransformación

Torre

Buje

Sistema deorientación

Generador

Anemómetro

Multiplicadora

Freno

A la salida del multiplicador se encuentra el eje de alta velocidad, que dispone de un freno de emergencia, y cuya función es transmitir el par al generado eléctrico, normalmente asíncrono.

El sistema de control monitoriza las condiciones de funcionamiento del aerogenerador y regula la captación de potencia. Así, controla el mecanismo de orientación gracias a la información que facilita la veleta (dirección del viento), manteniendo la oposición al viento, y controla la conexión gracias a la información facilitada por el anemómetro (velocidad del viento), de modo que conecta el aerogenerador cuando la velocidad del viento es mayor de unos 5 m/s y lo desconecta cuando supera los 25 m/s.

El generador eléctrico puede ser síncrono o asíncrono, pero aunque el generador síncrono produce una onda de mayor calidad, es más caro y complejo, por lo que suele optarse por el asíncrono, que permite la conexión directa a red, lo que resulta un montaje robusto y optimizado.

Finalmente, el centro de transformación es el encargado de elevar el nivel de tensión a aquel que resulte adecuado a la red de distribución.

Potencia extraiblePotencia extraible

La potencia (P [kW]) extraible

del viento por una máquina de eje horizontal depende de la energía cinética contenida en una corriente de aire que barre el rotor.

P=12 Av3 c p

Así, la captación de potencia depende de la densidad del aire, cuyo valor típico puede tomarse como 1,2 kg/m3, de la velocidad del viento, del área barrida por el rotor y del coeficiente de potencia.

Debido a que no toda la energía del viento es convertible en eléctrica, se define el coeficiente de potencia ( c p ) como la eficiencia de la máquina, que resulta ser una característica aerodinámica que depende de las condiciones de funcionamiento y características de la máquinas. Su valor máximo teórico viene dado por

el límite de Betz (0,5925).

Debido a la variación de la velocidad del viento, la máquina variará su potencia, lo que da lugar a la curva de potencia que caracteriza cada aerogenerador.

Regulación de potencia

Para conseguir el máximo aprovechamiento de la energía contenida en el viento se hace necesario desarrollar un control de la potencia capturada, ante lo que existen dos alternativas:

– Regulación pasiva por pérdida aerodinámica o “stall regulation”: es un tipo de control pasivo fundamentado en la pérdida aerodinámica que se produce a partir de una determinada velocidad del viento, con lo que, simplemente, dejando las palas fijas, la captación de potencia aumenta hasta que a partir de una velocidad determinada se empiezan a producir unas turbulencias que provocan la pérdida de sustentación.

– Regulación por variación del ángulo de paso o “pitch regulation”: es un tipo de control activo, en el que mediante el giro de las palas alrededor de su su eje longitudinal varía el ángulo de ataque, lo que reduce la resistencia al

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Ilustración 2: Pérdida aerodinámica

0 5 10 15 20 250

200

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800

1000

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1400

Curva de potenciaAerogenerador de 1300 kW

Velocidad del v iento [m/s]

Pote

ncia

[kW

]

Área barridaA ≈ π R2

viento, y con ella se consigue la variación del coeficiente de potencia al reducir la fuerza de sustentación. Así, la pérdida aerodinámica provoca la reducción del momento que hace girar las palas y con ello la velocidad de giro.

Así, tenemos que mientras que en el primer caso el control de la velocidad requiere un sistema de frenado , en el segundo se pude realizar por medio del control de la posición de las palas, sólo siendo necesario recurrir al sistema de frenado en circunstancias de viento muy elevado.

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Ilustración 3: Ángulo de ataque