propuesta para la transformacion de energia eolica a electrica

PROPUESTA PARA LA TRANSFORMACION DE ENERGIA EOLICA A ELECTRICA.

SERGIO DANIEL TRUJILLO PEREZ

JUAN FELIPE GONZALEZ RIVEROS

E.C.C.I. ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES

TECNÓLOGO EN GESTIÓN EN PROCESOS INDUSTRIALES

BOGOTA

2013

1

PROPUESTA PARA LA TRANSFORMACION DE ENERGIA EOLICA A ELECTRICA.

SERGIO DANIEL TRUJILLO PEREZ

JUAN FELIPE GONZALEZ RIVEROS

JAVIER BOBADILLA

DOCENTE FISICA ELECTRICA

E.C.C.I. ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES

INGENIERÍA INDUSTRIAL

TECNÓLOGO EN GESTIÓN EN PROCESOS INDUSTRIALES

BOGOTÁ

2013

2

TABLA DE CONTENIDO

1. Objetivos2. Antecedentes3. Marco Teórico 3.1La Energía Eólica

3.1.1 Historia de la Energía Eólica3.1.2 Futuro de la Energía Eólica3.1.3 CÁLCULO DE LA ENERGÍA EÓLICA

3.2ENERGÍA ELÉCTRICA 3.2.1 Corriente eléctrica 3.2.2 Fuentes de energía eléctrica3.2.3 Generación de energía eléctrica3.2.4 Apagón eléctrico3.2.5 Ruido eléctrico3.2.6 Consumo de energía y eficiencia energética

3.3INTEGRACION DE LA ENERGIA EOLICA EN LA RED ELECTRICA3.4TIPOS DE AEROGENERADORES

4 DESARROLLO DEL PROYECTO4.1La energía eólica4.2¿Cómo se realiza la producción de energía eólica?4.3Producción de energía eólica4.4Los generadores de viento4.5Partes de un generador eólico4.6Funcionamiento de un aerogenerador4.7Generación de la electricidad en los aerogeneradores4.8Control de potencia en los aerogeneradores4.9Factores que influyen en la cantidad de potencia del viento4.10 Comparación entre las potencias4.11 Algunas consideraciones con respecto al viento4.12 Beneficios

5 BÚSQUEDA BIBLIOGRÁFICA

3

1. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

Conocer la energía eólica mirando sus ventajas y sus desventajas para el beneficio de nosotros y medioambientales, aplicaciones y sus diferencias con las demás energías.

OBJETIVO ESPECIFICOS:

Investigar el método en donde puede ser manipulada este tipo de energía en nuestro país, continente y en el resto del mundo.

Experimentar el conocimiento y la práctica de cómo hacer energía eólica para asi mismo representarlo en nuestras vidas a futuro.

4

2. ANTECEDENTES

Hasta la aparición de la máquina de vapor en el siglo XIX, la única energía de origen no animal para realización de trabajo mecánico era la proveniente del agua o del viento. La primera y más inmediata forma de aprovechamiento de la energía eólica ha sido desde los tiempos más remotos aplicada a la navegación; las primeras referencias de la utilización de embarcaciones a vela proceden de Egipto y datan del IV ó V milenio antes de J.C.

Los molinos de viento existían ya en la más remota antigüedad. Persia, Irak, Egipto y China disponían de máquinas eólicas muchos siglos antes de J.C.; Hammurab I. rey de Babilonia, 17 siglos antes de J.C. utilizó molinos accionados por el viento para regar las llanuras de Mesopotamia y para la molienda del grano. Se trataba de primitivas máquinas eólicas de rotor vertical con varias palas de madera o caña, cuyo movimiento de rotación era comunicado directamente por el eje a las muelas del molino.

En China hay referencias de la existencia de molinos de rotor vertical y palas a base de telas colocadas sobre un armazón de madera, que eran utilizados para el bombeo de agua, máquinas conocidas como panémonas, precursoras de los molinos persas. El egipcio Hero de Alejandría representa en un estudio un molino de eje vertical de cuatro palas.

Los molinos de viento fueron utilizados en Europa en la Edad Media, comenzando a extenderse por Grecia, Italia y Francia. Si el origen de las máquinas eólicas presenta notables incertidumbres, no menos lo hace su expansión por el Mediterráneo y por toda Europa. Según algunos autores, se debe a los cruzados la introducción de la tecnología eólica en Occidente, si bien otros opinan que Europa desarrolla su propia tecnología, claramente distinta de la oriental, ya que en Europa se imponen fundamentalmente los molinos de eje horizontal, mientras que los molinos orientales eran de eje vertical.

Sea cual fuese la forma de aparición de estas máquinas en diversos países europeos, lo cierto es que se encuentran abundantes ejemplos de la importancia que los molinos de viento llegaron a tener en diversas aplicaciones; citemos como ejemplo relevante los literarios molinos castellanos utilizados para la molienda y los no menos conocidos molinos holandeses usados desde 1430 para la desecación de los polders, todos ellos de eje horizontal. En el siglo XVI Holanda perfecciona el diseño de los molinos y los utiliza para el drenaje; entre los años 1609 y 1612, Beemster Polder fue drenado con la ayuda de estas máquinas; sin embargo, no sólo utilizaron los molinos para drenar el agua, sino también para extraer aceites de semillas, moler grano, etc; precisamente el nombre de molinos proviene de este tipo de aplicaciones. Una idea de la importancia que en el

5

pasado adquirió la energía eólica nos la da el hecho de que en el siglo XVIII, los holandeses tenían instalados y en funcionamiento 20.000 molinos, que les proporcionaban una media de 20 Kw cada uno, energía nada despreciable para las necesidades de aquella época.

En 1724 Leopold Jacob proyecta un molino de ocho palas que mueve una bomba de pistón; en 1883 aparece el pequeño multipala americano diseñado por Steward Perry. Este molino, de unos 3 metros de diámetro utilizado para bombeo, ha sido el más vendido de la historia, llegándose a fabricar más de seis millones de unidades, de las que existen varios miles en funcionamiento. Como precursor de los actuales aerogeneradores, es necesario citar la aeroturbina danesa de Lacourt (1892), máquina capaz de desarrollar entre 5 y 25 Kw.

Hasta ese momento, las velocidades típicas que se habían conseguido con los multipala eran de dos veces la del viento, mientras que los molinos clásicos habrían funcionado con velocidades en el extremo de la pala del mismo orden de magnitud que la del viento.

La teoría de la aerodinámica se desarrolla durante las primeras décadas del siglo XX, permitiendo comprender la naturaleza y el comportamiento de las fuerzas que actúan alrededor de las palas de las turbinas. Los mismos científicos que la desarrollaron para usos aeronáuticos Joukowski, Drzewiechy y Sabinin en Rusia; Prandtl y Betz en Alemania; Constantin y Enfield en Francia, etc, establecen los criterios básicos que debían cumplir las nuevas generaciones de turbinas eólicas.

En el año 1910 Dinamarca tenía instalada una potencia eólica de 200 MW.

En los años 20 se empiezan a aplicar a los rotores eólicos los perfiles aerodinámicos que se habían diseñado para las alas y hélices de los aviones. En 1927, el holandés A.J. Dekker construye el primer rotor provisto de palas con sección aerodinámica, capaz de alcanzar velocidades en punta de pala, cuatro o cinco veces superiores la del viento incidente.

Betz demostró en su famoso artículo "Die Windmuhlen im lichte neverer Forschung", (Berlín 1927), que el rendimiento de las turbinas aumentaba con la velocidad de rotación y que, en cualquier caso, ningún sistema eólico podía superar el 60% de la energía contenida en el viento. Por lo tanto, los nuevos rotores debían funcionar con elevadas velocidades de rotación para conseguir rendimientos más elevados. La teoría demostró también que cuanto mayor era la velocidad de rotación menor importancia tenía el número de palas, por lo que las turbinas modernas podían incluso construirse con una sola pala sin que disminuyera su rendimiento aerodinámico significativamente.

6

A pesar de los esfuerzos realizados y de la mayor eficacia de las nuevas turbinas, las dificultades de almacenamiento y las desventajas propias de la irregularidad de los vientos fueron la causa de que las aplicaciones basadas en el aprovechamiento del viento como recurso energético continuaran declinando hasta el final de la Primera Guerra.

Los combustibles fósiles, y en particular el petróleo, empezaban a imponerse como la principal e insustituible fuente de energía. Sin embargo, el petróleo presentaba un grave inconveniente al crear una dependencia entre los países consumidores y los productores, de forma que cuando el orden económico se veía alterado por alguna crisis y la dependencia energética se hacía patente, se adoptaban políticas de apoyo de los recursos autónomos, que se abandonaban una vez se superaba la crisis.

La primera de estas etapas fue una consecuencia inmediata de la Primera Guerra. Con una fuerte expansión de la electricidad como sistema energético universal y escasez de recursos para importar petróleo, las turbinas eólicas continuaron desarrollándose por dos caminos diferentes.

Por un lado, hacia el diseño, construcción y comercialización de aerogeneradores de baja potencia, capaces de generar electricidad en áreas rurales más o menos aisladas, a las que todavía no habían llegado las redes de electrificación.

Por otro, y a la sombra de una industria aeronáutica en pleno desarrollo, hacia el diseño y construcción de grandes plantas eólicas capaces de generar electricidad a gran escala.

Este apoyo a los recursos energéticos autóctonos, que comenzó inmediatamente después de la guerra, se mantuvo durante la década siguiente, como consecuencia de la política proteccionista adoptada por los países occidentales tras la crisis de 1929.

Durante este período fueron innumerables los trabajos realizados sobre plantas eólicas de gran potencia en Europa y USA, centrando los programas eólicos su interés en aspectos diferentes como, la evaluación de los recursos disponibles, obtención y tratamiento de datos meteorológicos, elaboración de mapas eólicos y localización de emplazamientos, y el cálculo, diseño y construcción de plantas de gran potencia, a la vez que intentó crear incentivos que motivasen a la iniciativa privada a fabricar y comercializar pequeñas turbinas con funcionamiento autónomo, que permitiesen cubrir las necesidades de explotaciones agrícolas o industriales situadas en zonas apartadas.

7

Dentro de los grandes proyectos, el Honnef alemán consistía en instalar torres de 300 metros de altura, con 3 ó 5 rotores de 150 metros de diámetro, capaces de generar 75 MW; aunque se realizaron estudios a pequeña escala, el prototipo de esta central fue destruido en una incursión aérea.

El anteproyecto Heronemus (U.S.A.) consistía en la construcción de estaciones eólicas compuestas por torres de 113 metros de altura con tres rotores de 73 metros de diámetro; se pensaba que con 1400 estaciones de este tipo, ubicadas en la costa se podría generar el 8% de la demanda eléctrica U.S.A.

En 1931 se instaló en el Mar Negro una máquina eólica de 100 Kw.

Entre 1941 y 1945 estuvo funcionando en U.S.A, una unidad de 1,2 MW.

Una vez finalizada la Segunda Guerra, y como consecuencia del período de escasez que siguió, los países europeos elaboraron programas nacionales para elegir los emplazamientos más adecuados donde deberían instalarse las grandes plantas eólicas que se proyectaban.

El segundo periodo de desarrollo de la energía eólica comienza en los años cincuenta y se prolonga hasta mediados de los sesenta en que, una vez restablecida la economía internacional, acaba perdiendo interés al no resultar sus precios competitivos con los de los combustibles fósiles convencionales, por lo que el bajo precio del petróleo, hasta 1973, cerró el camino al desarrollo de la tecnología eólica; a esta etapa siguió otra de precios del petróleo altos que se prolongó hasta 1986 y que favoreció el desarrollo de los aerogeneradores eólicos como fuente de energía alternativa, renovable y no contaminante, capaz de producir electricidad a precios competitivos.

En esta época, las redes de electrificación empezaban a ser lo suficientemente extensas como para cubrir la mayor parte de las zonas rurales, por lo que también disminuyeron las ventajas de los aerogeneradores de baja potencia utilizados en zonas aisladas.

El período terminó con un gran número de instalaciones experimentales, construidas de una forma dispersa en países diferentes, sin demasiada conexión entre sí.

Solamente en Francia, Dinamarca e Inglaterra se llevaron a cabo programas de cierta importancia.

El número de aerogeneradores instalados a finales de 1991 era superior a los 21.000, según datos de la Agencia Internacional de la Energía, con un total de

8

potencia de 2.200 MW, equivalente a dos centrales nucleares de gran potencia, y de los cuales la mitad estaban instalados en los parques eólicos de California.

A título anecdótico, a finales de 1991 la potencia de origen eólico instalada en la red eléctrica danesa ascendía a 410 MW con una producción de energía equivalente al 2,3% del consumo del país. En Alemania la potencia instalada era de 100 MW y estaba previsto alcanzar los 250 MW en breve plazo Holanda contaba con 80 MW de potencia instalada y 100 más en construcción. El programa eólico holandés tiene previsto alcanzar los 1.000 MW hacia el año 2000 y los 2.000 MW en el 2010. España tenía en fase de realización varios proyectos que completarían los 50 MW hacia finales de 1992. El Plan de Energías Renovables, dentro del Plan Energético Nacional 1992-2000 alcanzó los 100 MW a finales de 1995, aunque las previsiones actuales sobrepasan ampliamente estas cifras.

En cuanto al tipo de máquinas de mayor interés, los resultados obtenidos de las numerosas experiencias realizadas permitieron concretar el campo de trabajo en dos modelos: las turbinas de eje horizontal de dos o tres palas y, en menor medida, las turbinas Darrieux de eje vertical.

El tamaño medio de las máquinas instaladas hasta 1990 estuvo en el rango de los 100 Kw, aunque se observaba una clara tendencia ascendente.

En los últimos 10 años los pequeños aerogeneradores aumentaron poco a poco sus potencias, a la vez que mejoraban su fiabilidad y reducían sus costes; las potencias medias de los aerogeneradores instalados entre 1990 y 1991 era de 225 Kw; en los últimos años se han podido construir aerogeneradores con potencias mayores, desarrollados por las grandes compañías de la industria aeronáutica, que aumentan la fiabilidad de las máquinas y reducen sus costes, convergiendo hacia una nueva generación de aeroturbinas de 500 Kw a 1,2 MW, lo que demuestra el alto grado de madurez alcanzado por esta tecnología. La fabricación de pequeñas máquinas ha ido perdiendo interés en países con redes de distribución de electricidad muy extendidas, ya que los costes superiores de la energía en instalaciones pequeñas e individuales los hacen poco rentables.

El precio del Kw/h eólico puede ser, en aerogeneradores de potencia media, la mitad que en los aerogeneradores de potencia baja. La rentabilidad de las aeroturbinas eólicas implica el intentar disminuir costos, tanto en su instalación inicial, como en los gastos de mantenimiento, procurando que el tiempo de vida de la instalación sea superior al del período de amortización.

(Tomado de http://exa.unne.edu.ar/fisica/maestria/modulo2/eolica/eolo12002.pdf)

9

En Colombia

Los vientos en Colombia están entre los mejores de Sudamérica. Regiones en donde se han investigado, como en el departamento de la Guajira, han sido clasificados vientos clase 7 (cerca de los 10 metros por segundo (m/s)). La única otra región con esta clasificación en Latinoamérica es la Patagonia, ubicada en Chile y Argentina.

Colombia tiene un potencial estimado de energía eólica de 21GW solamente en el departamento de la Guajira (lo suficiente para satisfacer casi dos veces la demanda nacional de energía). Sin embargo, el país solamente ha instalado 19.5MW en energía eólica, explotando 0.4% de su potencial teórico. Esta capacidad la aprovecha principalmente el Parque de Jepirachí, desarrollado por Empresas Públicas de Medellín (EPM) bajo Carbon Finance, un mecanismo anexado al Banco Mundial.4 También hay varios proyectos bajo consideración, incluyendo un parque eólico de 200MW en Ipapure.

(Tomado de http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADas_renovables_en_Colombia)

10

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADas_renovables_en_Colombia#cite_note-4

3. MARCO TEORICO

3.1 LA ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica pertenece al conjunto de las energías renovables o también denominadas energías alternativas. La energía eólica es el tipo de energía renovable más extendida a nivel internacional por potencia instalada (Mw) y por energía generada (Gwh).

Es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles de energía para las actividades humanas.

La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Su principal inconveniente es la intermitencia del viento.

3.1.1 Historia de la Energía Eólica

La energía eólica se ha utilizado históricamente para tareas mecánicas que requerían de mucho esfuerzo físico, como era moler grano o elevar agua de pozos. En estos casos la energía final que se usaba era la energía mecánica, sin embargo, con el paso de los años el objetivo que se buscaba era el de producir energía eléctrica a partir del viento.

La energía eólica es una de las formas de energía más antiguas usadas por la humanidad. Desde el principio de los tiempos, los hombres utilizaban los molinos de viento para moler cereales o bombear agua. Con la llegada de la electricidad, a finales del siglo XIX los primeros aerogeneradores se basaron en la forma y el funcionamiento de los molinos de viento.

La generación de energía eléctrica a partir de energía eólica tuvo lugar en Dinamarca hacia 1890, cuando se realizaron los primeros experimentos con aerogeneradores, llegando a producir hasta 200 kw (profesor La Cour ).

Desde el año 1995 hasta nuestros días hemos visto crecer exponencialmente la energía eólica en todo el mundo, destacando los países como España, Dinamarca, Holanda y Alemania.

11

3.1.2 Futuro de la Energía Eólica

Actualmente muchos países cuentan con la energía eólica como una fuente de energía primaria en pleno desarrollo. Los países que destacan como futuros grandes generadores de energía eólica son: China, India, Sudamérica y EE.UU. De hecho, China cuenta ya con grandes fabricantes de aerogeneradores que han conseguido tecnologías muy fiables. Una de las formas de energía eólica más conocida es la energía eólica terrestre, ya que estamos familiarizados a ver aerogeneradores en tierra, sin embargo, la superficie del mar es tan extensa, y se presenta en ella el recurso eólico más abundante de la tierra, que se han desarrollado en los últimos años tecnologías para instalar aerogeneradores en el mar. Esta forma de energía eólica se conoce como energía eólica offshore o eólica marina.

3.1.3 CÁLCULO DE LA ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica es la energía cinética de las partículas de aire que se mueven con una velocidad v. Una superficie circular de radio r, die perpendicular a la dirección del viento, es atravesado durante un tiempo t por la siguiente masa de aire:

Por lo tanto, la energía cinética del aire es:

Hay que prestar atención al dato de que la potencia eólica depende del cubo de la velocidad del aire. Por lo tanto, la velocidad es el factor más importante a la hora de calcula la energía eólica.

3.2 ENERGÍA ELÉCTRICA

Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos cuando se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica.

12

3.2.1 Corriente eléctrica

La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus extremos.

3.2.2 Fuentes de energía eléctrica

La energía eléctrica apenas existe libre en la Naturaleza de manera aprovechable. El ejemplo más relevante y habitual de esta manifestación son las tormentas eléctricas. La electricidad tampoco tiene una utilidad biológica directa para el ser humano, salvo en aplicaciones muy singulares, como pudiera ser el uso de corrientes en medicina (electroshock), resultando en cambio normalmente desagradable e incluso peligrosa, según las circunstancias. Sin embargo es una de las más utilizadas, una vez aplicada a procesos y aparatos de la más diversa naturaleza, debido fundamentalmente a su limpieza y a la facilidad con la que se la genera, transporta y convierte en otras formas de energía. Para contrarrestar todas estas virtudes hay que reseñar la dificultad que presenta su almacenamiento directo en los aparatos llamados acumuladores. La generación puede ir relacionada con la distribución, salvo en el caso del autoconsumo.

3.2.3 Generación de energía eléctrica

Actualmente la energía eléctrica se puede obtener de distintos medios, que se dividen principalmente en:

Renovables:

Centrales termoeléctricas solares Centrales solares fotovoltaicas Centrales eólicas Centrales hidroeléctricas Centrales geo-termoeléctricas

No renovables:

Centrales nucleares

13

Combustibles fósiles:

Centrales de ciclo combinado (quemadores de gas natural) Centrales de turbo-gas Fallos comunes en el suministro de energía eléctrico

3.2.4 Apagón eléctrico

Un corte de energía se define como una condición de tensión cero en la alimentación eléctrica que dura más de dos ciclos (40 ms). Puede ser causado por el encendido de un interruptor, un problema en la instalación del usuario, un fallo en la distribución eléctrica o un fallo de la red comercial. Esta condición puede llevar a la pérdida parcial o total de datos, corrupción de archivos y daño del hardware.

3.2.5 Ruido eléctrico

El ruido eléctrico de línea se define como la Interferencia de Radio Frecuencia (RFI) e Interferencia Electromagnética (EMI) y causa efectos indeseables en los circuitos electrónicos de los sistemas informáticos.

Las fuentes del problema incluyen motores eléctricos, relés, dispositivos de control de motores, transmisiones de radiodifusión, radiación de microondas y tormentas eléctricas distantes.

Los picos de alta tensión ocurren cuando hay repentinos incrementos de tensión en pocos microsegundos. Estos picos normalmente son el resultado de la caída cercana de un rayo, pero pueden existir otras causas también. Los efectos en sistemas electrónicos vulnerables pueden incluir desde pérdidas de datos hasta deterioro de fuentes de alimentación y tarjetas de circuito de los equipos. Son frecuentes los equipos averiados por esta causa.

3.2.6 Consumo de energía y eficiencia energética

Los aparatos eléctricos cuando están funcionando generan un consumo de energía eléctrica en función de la potencia que tengan y del tiempo que estén en funcionamiento. En España, el consumo de energía eléctrica se contabiliza mediante un dispositivo precintado que se instala en los accesos a la vivienda, denominado contador, y que cada dos meses revisa un empleado de la compañía suministradora de la electricidad anotando el consumo realizado en ese período. El kilovatio hora (kWh) es la unidad de energía en la que se factura normalmente el consumo doméstico o industrial de electricidad. Equivale a la energía

14

consumida por un aparato eléctrico cuya potencia fuese un kilovatio (kW) y estuviese funcionando durante una hora.

3.3 INTEGRACION DE LA ENERGIA EOLICA EN LA RED ELECTRICA

Para que la energía eólica se desarrolle en cualquier país en más de un 20% de la energía eléctrica producida media a lo largo del año, cada país debe tener una red de energía eléctrica avanzada, es decir, debe ser una red eléctrica moderna que permita el almacenamiento de energía y que esté bien equilibrada en todos los nodos eléctricos del país y que además permita que pequeños generadores (como viviendas particulares) puedan participar en el sistema eléctrico del país.

Se está investigando para desarrollar la tecnología necesaria para integrar la energía eólica en la red de energía eléctrica, lo cual supondría que la energía eólica fuera la principal fuente de energía, dentro del consumo de energía primaria de un país (actualmente lideran las energías fósiles).

3.4 TIPOS DE AEROGENERADORES

La máquina que hace posible que hoy en día se hable de energía eólica como una fuente de energía, es el aerogenerador. Éstos han ido evolucionando para adaptarse a distintas necesidades a lo largo de los años.

Los distintos aerogeneradores que existen son:

Aerogenerador de eje vertical: es el concepto original de aerogenerador dentro de la energía eólica, ya que permite colocar el tren de potencia (multiplicadora, generador eléctrico, etc) en la base del aerogenerador, facilitando así la instalación de estos aerogeneradores. Las palas de este aerogenerador están girando en un plano paralelo al suelo.

Aerogenerador de eje horizontal: es el concepto para producir energía eólica que se ha implantado a lo largo de los años. Consiste en colocar el tren de potencia en la parte superior junto al eje de giro de la turbina eólica. Las palas de este aerogenerador están girando en un plano perpendicular al suelo.

15

4.0DESARROLLO DEL PROYECTO4.1 La energía eólica

Para obtener los mejores resultados de este instructivo sobre cómo hacer energía eólica casera, en primer lugar es conveniente preguntarnos qué es la energía eólica y cómo funciona, así que repasemos algunos conceptos.

Los generadores eólicos, también llamados generadores de viento, son utilizados para transformar la energía cinética del viento en energía eléctrica. Por lo tanto, la energía eólica es la que se consigue a partir de la energía cinética generada por el viento.

Se trata de una energía renovable, no produce CO2, no produce ningún tipo de contaminación o residuo contaminante, se puede producir en cualquier espacio, es fácil de obtener y muchas otras cosas más. Normalmente, los generadores están compuestos por las partes que detallaremos a continuación...

http://www.ojocientifico.com/2011/05/31/como-hacer-energia-eolica-casera

4.2¿Cómo se realiza la producción de energía eólica?

Corresponde al punto de base de todo el aerogenerador. La torre, es un mástil de muchos metros de largo, en algunos casos poseen hasta cien metros. En la parte superior de la torre, se encuentra la góndola, conectada al rotor, conformado por tres aspas que se mueven gracias a las masas de aire. Algo muy importante y fundamental de los aerogeneradores es que siempre deben poseer un transformador, para lograr que los mismos funcionen mediante electricidad. Dentro de la torre del aerogenerador, existen distintas partes que ayudan y complementan el trabajo de los mismos, teniendo en cuenta que esto representa una de las características más destacadas de la producción de energía eólica. Una de las partes más importantes son las escaleras que conectan cada piso de la torre con otro, constan de muchísimos escalones, un promedio de veinte escalones por piso.

http://www.energiasolar.ws/generacion/produccion-energia-eolica.html

16

4.3Producción de energía eólica

esta energía proviene de fuentes naturales como el sol y el viento ésta último es consecuencia del sol, ya que el calor que emite con sus rayos a la tierra y es el responsable de los cambios de presión y de temperatura, entonces se forman las nubes y se producen los vientos que además tienen que ver en gran medida con el terreno, si es zona de montaña, de llanuras o praderas, o de zonas húmedas como las ribereñas de los ríos. Para la produccion de energia eolica se buscan lugares que fueron estudiados minuciosamente con anterioridad, para la generación de la energía eólica, generalmente son lugares alejados de las ciudades, como puede ser un valle o zonas de alta montaña, o las llanuras en dónde la potencia del viento es mayor, para poder efectuar la producción de energía eólica.

http://www.energiasolar.ws/generacion/produccion-energia-eolica.html

4.4Los generadores de viento

El principio es bastante simple. Tan sólo imagínate un gran ventilador que en vez de utilizar electricidad para producir viento, funciona de la manera opuesta, es decir: el viento hace que su rotor gire y esta rotación es utilizada para generar energía eléctrica.


4.5Partes de un generador eólico

Los generadores están compuestos por un rotor, que incluye hojas utilizadas para convertir la energía del viento en rotación de baja velocidad. Un generador, que incluye el generador eléctrico, algunos controles electrónicos y una caja de cambios para convertir la rotación de baja velocidad en rotación de alta velocidad y también tienen una estructura de soporte.

La estructura de soporte se incluye en la torre y dependiendo del tamaño, también pueden tener un mecanismo de viraje.


17

4.6Funcionamiento de un aerogenerador

El aerogenerador consta de varias partes un esquema general de cómo funciona el aerogenerador esta dado por la siguiente figura:

Palas del rotor: Es donde se produce el movimiento rotatorio debido al viento.

Eje: Encargado de transmitir el movimiento rotatorio.

Caja de engranajes o Multiplicadores: Encargados de cambiar la frecuencia de giro del eje a otra menor o mayor según dependa el caso para entregarle al generador una frecuencia apropiada para que este funcione.

Generador: Es donde el movimiento mecánico del rotor se transforma en energía eléctrica.

Además de estos componentes básicos se requieren otros componentes para el funcionamiento eficiente y correcto del aerogenerador en base a la calidad de servicio de la energía eléctrica, alguno de ellos son:

Controlador electrónico: que permite el control de la correcta orientación de las palas del rotor, también en caso de cualquier contingencia como sobrecalentamiento del aerogenerador lo para.

Unidad de refrigeración: Encargada de mantener al generador a una temperatura prudente.

18

Anemómetro y la Veleta: Cuya función están dedicadas a calcular la velocidad del viento y la dirección de este respectivamente.

Están conectadas al controlador electrónico quien procesa estas señales adecuadamente.

http://web.ing.puc.cl/power/alumno03/alternativa.htm#_¿Que_es_la_energía_eolica?

4.7Generación de la electricidad en los aerogeneradores

Los aerogeneradores pueden producir energía eléctrica de dos formas: en conexión directa a la red de distribución convencional o de forma aislada.

Las aplicaciones aisladas por medio de pequeña o mediana potencia se utilizan para usos domésticos o agrícolas (iluminación, pequeños electrodomésticos, bombeo, irrigación, etc.), Incluso en instalaciones Industriales para desalación, repetidores aislados de telefonía, TV, instalaciones turísticas y deportivas, etc. Se acumula la electricidad en baterías de acumulación.

También se utilizan aerogeneradores de gran potencia en instalaciones aisladas: desalinización de agua marina, producción de hidrógeno, etc.

La conexión directa a la red viene representada por la utilización de aerogeneradores de potencias grandes (más de 10 ó 100 kW). Estos autogeneradores se ubican en los parques eólicos.

Los avances en la aerodinámica han incrementado el rendimiento de los aerogeneradores del 10 hasta el 45%. En adecuados emplazamientos, con vientos medios anuales superiores a los 5 m/s a 10 metros de altura, se consiguen producciones eléctricas anuales por metro cuadrado de área barrida superiores a los 1.000 kW/h.

19

El tamaño medio de los grandes aerogeneradores es de 600-1.300 kW con rotores de 40 metros de diámetro. Existe una tendencia generalizada hacia las máquinas tripala, que representan más del 80% de los aerogeneradores instalados.

Los nuevos diseños buscan, asimismo, la reducción del impacto visual y la disminución del ruido aerodinámico.

http://www.voltimum.es/cm.jsp?cat=21&subcat=0&action=view&viewmode=details&brand=&cmid=7550&universe=manufacturer.articuloseolica.energiaeolica&pagenumber=2

4.8Control de potencia en los aerogeneradores

Pitch controlled

También llamados por regulación de ángulo de paso, el controlador electrónico lleva un registro de las potencias entregadas por el aerogenerador, si la potencia entregada pasase un valor nominal el controlador hace que el ángulo por donde se recibe el viento cambie de posición lo que hace que cambie el área efectiva por donde pasa el viento y por lo tanto disminuye su potencia absorbida, en el caso que la potencia recibida es muy chica se hace el procedimiento contrario

Stall controlled

Denominados también regulados por perdida de aerodinámica, las palas del rotor están fijas al eje, las palas del rotor han sido aerodinámicamente diseñadas de tal manera que a medida que aumenta la velocidad del viento se produce paridad de potencia por turbulencias y así se regula la potencia generada.

Por alerones

Esta técnica consiste en cambiar la geometría de las palas del rotor, sin embargo esto produce fuerzas que pueden dañar la estructura, por lo tanto es sola usada en generadores de baja potencia.


20

4.9Factores que influyen en la cantidad de potencia del viento

La energía eólica es aprovechada por nosotros básicamente por un sistema de un rotor que gira a medida que pasa viento por este.

La potencia del viento depende principalmente de 3 factores:

Área por donde pasa el viento (rotor)

Densidad del aire

Velocidad del viento

Para calcular la formula de potencia del viento se debe considerar el flujo másico del viento que va dado por:

Densidad del viento

Área por donde pasa el viento

Velocidad del viento

Entonces el flujo masico viene dado por la siguiente expresión:

21

Entonces la potencia debido a la energía cinética esta dada por:


4.10 Comparación entre las potencias

El grafico muestra las potencias del viento, la extraída por el rotor y la potencia transformada a electricidad.

La extraída por el rotor esta limitada por la ley de Betz y la transformada a electricidad esta limitada por la eficiencia del generador.

Como la potencia entregada dada por el generador eólico depende de la velocidad del viento la eficiencia va ha depender también de la velocidad del viento registrándose eficiencias máximas del orden de 44%

22

Hay que tener además bien en claro que para la lograr una eficiencia alta como la que sale aquí es necesario muchos gastos que aumentarían el costo de producir un Kw. mas, por lo tanto máxima eficiencia no implica menor costo de generación.


4.11 Algunas consideraciones con respecto al viento

Como la mayoría de las personas saben el viento no siempre se mantiene constante en dirección y valor de magnitud, es más bien una variable aleatoria, algunos modelos han determinado que el viento es una variable aleatoria con distribución weibull como la que muestra la siguiente figura

Dado que la energía del viento depende la velocidad del viento, ¿Cual seria la energía potencia que entrega el viento?

Para calcular la potencia promedio que es aprovechada por el rotor debemos usar la llamada ley de Betz que es demostrada de la siguiente manera:

23

Supongamos que la velocidad a la que entra el viento al tubo de corriente es de valor V1 y a la velocidad que sale es de V2, podemos suponer que la velocidad a la que el viento entra al aerogenerador es de (V1+V2)/2.

El flujo másico que entra al rotor entonces tiene valor de:

Dado que en tubo de corriente se debe conservar la potencia, la potencia que entra a velocidad V1 tiene que ser igual a la suma de la potencia que sale a velocidad V2 y la que se va por el rotor.

Entonces la potencia que se va por el rotor es:

Protor=

Y remplazando la masa nos queda:

P = ( /4) (v12 - v22) (v1+v2) A

24

La potencia que lleva el viento antes de llegar al rotor viene dado por:

P0 = ( /2) v13 A

Ahora si la comparamos con la potencia que lleva el viento nos da la siguiente grafica:

Cuyo máximo viene dado por 0.59 aproximadamente, es decir la máxima potencia que se puede extraer del viento es de 0.59 veces esta potencia.


4.12 Beneficios

Los beneficios de construir un generador de energía eólica son muchísimos: en primer y más importante lugar, estarás haciendo la diferencia en la lucha contra el calentamiento global; tus tarifas de electricidad bajarán su valor o, en algunos casos, serán eliminadas; si eres talentoso en proyectos como este, incluso hasta podrías llegar a hacer algunos generadores para venderlos y toda la experiencia será realmente gratificante.


25

5. BÚSQUEDA BIBLIOGRÁFICA

http://www.economiadelaenergia.com/ http://es.wikipedia.org/wiki/Energiaelectrica

26

propuesta para la transformacion de energia eolica a electrica

Education