Investigacin sobre la generacin de energa elctrica por medio de aerogeneradores

CONTENIDO

Pginas

INTRODUCCIN5

1. OBJETIVOS6

1.1. Objetivo general: 6

1.2. Objetivos especficos: 6

2. FORMULACIN DEL PROBLEMA

7

3. JUSTIFICACIN

8

4. DELIMITACIN DEL PROBLEMA

9

5. METODOLOGA

10

6. MARCO TEORICO11

6.1. Elementos clave para la energa elica26

6.2. Aerogenerador26

6.3. Partes de un aerogenerador o turbina elica 26

6.4. Descripcin de las partes localizadas en la gndola 28

6.4.1.Materiales de construccin de un rotor38

6.4.1.1. Dimensiones de las palas 40

6.4.1.2. Sistemas para la regulacin de la velocidad de giro 41

7. CONCLUSIONES

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8. GLOSARIO.

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BIBLIOGRAFA

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LISTA DE FIGURASPginas

Imagen 1. Caja multiplicadora. 14

Imagen 2. Eje principal. 15

Imagen 3. Detalle del eje pequeo. 16

Imagen 4. Generador principal de la turbina elica. 18

Imagen 5. El controlador enva datos a la sala de control.19

Imagen 6. Detalle de la veleta en un generador elico.21

Imagen 7. El motor de orientacin hace posible.22

Imagen 8. La corona de orientacin es.23

Diagrama 1. Estructura moderna de una pala. 25

Diagrama 2. Materiales y estructuras utilizadas.26

Diagrama 3. El sistema de regulacin centrfugo de.28

INTRODUCCIN

La generacin de energa elctrica a partir de fuentes renovables como el viento es una tarea que la humanidad esta descubriendo no solo como importante sino tambin como vital para el desarrollo de las futuras generaciones. El siguiente documento, mediante grficos, fotografas y breves descripciones llevar al lector a comprender la esencia de la generacin de electricidad mediante el aprovechamiento de una fuente tan abundante de energa como lo es el viento, sin embargo es importante recalcar que el objetivo de este documento es puramente informativo, ya que como cualquier campo relacionado con la electricidad y la mecnica debe considerarse aspectos de diseo muy profundos, que rara vez conciernen a otras personas que no sean los diseadores de estos sistemas, adems siendo importante primero informar acerca de las alternativas, lo mejor es hacerlo en un lenguaje sencillo y claro. La primera parte de esta investigacin sirve como introduccin a los conceptos bsicos relacionados con la energa elica, mientras que la segunda describe de forma sencilla los componentes fundamentales de los aerogeneradores. Puesto que el campo de la energa elica es sumamente amplio y debe tener en cuenta consideraciones de diseo muy profundas el lector debe comprender que la informacin contenida en este documento debe considerarse como una introduccin a este tema.

1. OBJETIVOS

1.1. Objetivo general:

Realizar una investigacin sobre la energa elica y los equipos electromecnicos utilizados para el aprovechamiento de la misma.

1.2. Objetivos especficos:

Realizar una investigacin sobre los generadores y alternadores utilizados en las torres elicas.

Comprender los principios fundamentales detrs de algunos de los equipos modernos de generacin de corriente elctrica a travs de energas alternativas.

Crear un documento informativo sobre el tema investigado.

2. FORMULACIN DEL PROBLEMA

Buscar y aprovechar fuentes de energa alternas es el camino a seguir para solucionar muchos de los problemas energticos y ecolgicos de la humanidad.

En muchos sectores de Colombia especialmente aquellos alejados de las grandes ciudades, pocas personas conocen completamente el concepto de energa limpia o alternativa, lo que sin duda retrasa el proceso nacional de cambio hacia el uso de este tipo de energa, ya sea un cambio de mentalidad acerca del tema o un cambio de hecho, en la investigacin e implementacin de equipos que la aprovechen.

Informar acerca de este tema es fundamental y sin duda la solucin al problema, para que las personas de toda ndole busquen un cambio, ya sea reclamando al gobierno por instalaciones limpias para la produccin de energa o para que las mismas personas ya sea de forma individual o colectiva construyan equipos de cualquier tamao y costo, que aprovechen cualquiera de las fuentes de energa alternativa para beneficio de su comunidad la cual podra lograr no depender del sistema interconectado nacional de energa elctrica.

3. JUSTIFICACIN

Colombia como pas en vas de desarrollo debe buscar de cualquier forma prctica aprovechar las energas alternativas; Si bien el pas tiene fuentes de combustibles fsiles como carbn y petrleo en abundancia, e incluso ricas fuentes hdricas para la creacin de hidroelctricas, todas estas formas de generacin de energa tienen un enorme impacto sobre el medioambiente y sobre las poblaciones cercanas.

En algunos casos nuestras fuentes de energa actuales tienen efectos positivos como la generacin de empleo y de regalas, pero es un hecho que dichas fuentes pueden terminarse, o simplemente su explotacin podra implicar la exterminacin de reservas naturales, o un deterioro mayor del medio ambiente; por lo tanto es una prioridad para el gobierno y para la sociedad en Colombia informarse acerca de las energas alternativas y de su aprovechamiento, para lograr un futuro energticamente claro, con cobertura total, y sobre todo de acuerdo con la nueva visin global de un mundo limpio y libre de emisiones nocivas para el ambiente.

Crear este documento informativo no solo enriquece el conocimiento personal del autor acerca del tema sino que tambin en un esfuerzo pequeo en comparacin al de otras instituciones, pretende contribuir en ese proceso informativo y educativo, que busca un cambio en el pensamiento de la sociedad acerca de un tema fundamental como lo es el medio ambiente y la independencia energtica, en beneficio de un desarrollo que mire hacia el futuro y que beneficie al conjunto de la sociedad, dentro y fuera de los grandes centros de poblacin.

4. DELIMITACION DEL PROBLEMA

Debido a lo extenso del tema de las energas alternativas, y al hecho de que no todas las formas de aprovechamiento de las energas alternativas, son adecuadas y/o econmicas dentro del entorno que ofrece la repblica de Colombia, la presente investigacin se centrar de forma muy conservadora en el estudio de las torres elicas. Como parte de la investigacin tambin se har una descripcin breve pero completa sobre el rotor de estos dispositivos, ya que es el factor clave en el proceso de generacin elctrica mediante el aprovechamiento del viento.

5. METODOLOGA

Para la realizacin de esta investigacin primero se recopilar informacin sobre los orgenes de la energa elica, su estado actual, su importancia dentro del mundo de las energas alternativas, los tipos de aerogeneradores, sus partes etc., despus de leer el material se desarrollar un documento descriptivo acerca de las partes fundamentales de los aerogeneradores y de los elementos bsicos que se requieren para construir un aerogenerador.

6. MARCO TEORICO

La energa elica hace uso de uno de los elementos ms tiles y antiguos de la humanidad el molino de viento. Un molino es una mquina que transforma el viento en energa aprovechable, que proviene de la accin de la fuerza del viento sobre unas aspas oblicuas unidas a un eje comn. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de maquinaria para moler grano, bombear agua o generar electricidad. Cuando el eje se conecta a una carga, como una bomba, recibe el nombre de molino de viento. Si se usa para producir electricidad se le denomina generador de turbina de viento. Los molinos tienen un origen remoto.

La industria de la energa elica en tiempos modernos comenz en 1979 con la produccin en serie de turbinas de viento por los fabricantes Kuriant, Vestas, Nordtank, y Bonus. Aquellas turbinas eran pequeas para los estndares actuales, con capacidades de 20 a 30 Kw cada una. Desde entonces, la talla de las turbinas ha crecido enormemente, y la produccin se ha expandido a muchos pases.

En la actualidad el desarrollo e implementacin de las turbinas elicas es realizado por diversas organizaciones y compaas tales como Gamesa, ALstom-Ecotecnia, Windtest, GE Wind Energy, NREL, RES Group, Ecole de Technologie Superieure (Canad), Hatvh ltd, Siemens Wind Power, Vestas, Endesa, Neo Energa (EDP Renovables), FEUP, y CENER e incluso ciertas comunidades pequeas; sin embargo producto del desarrollo tcnico de estos equipos la organizacin llamada TC 88 IEC (International Electrotechnical Comission/Comisin Electrotcnica Internacional) que es la encargada de la revisin de la normativa que sirve de referencia en el sector elico a nivel internacional y supone el resultado del esfuerzo realizado para lograr la armonizacin entre los diferentes esquemas nacionales existentes.

Antecedentes de los sistemas de regulacin de la velocidad de giro

Un dispositivo fundamental en un aerogenerador elico es el que permite la regulacin y control del nmero de revoluciones, que adems sirve de proteccin de dicha mquina para velocidades del viento superiores a las admisibles bajo el punto de vista estructural. Cuando una mquina est sometida a una determinada velocidad del viento, comienza a girar; dicha velocidad es la velocidad de conexin, pero su giro es lento y la mquina est lejos de generar su mxima potencia. A medida que la velocidad del viento aumenta el rotor gira ms deprisa y la potencia que produce tambin aumenta; a una determinada velocidad (nominal), el rotor gira a las revoluciones precisas para que la mquina proporcione su potencia nominal y a partir de este momento, aunque aumente la velocidad del viento, no interesa que la velocidad de giro aumente, por lo que hay que actuar sobre ella regulando su velocidad.Si la velocidad del viento sigue aumentando, el rotor puede peligrar desde el punto de vista estructural siendo muy importante disminuir las vibraciones; por so, cuando esta velocidad aumenta mucho, el rotor se tiene que frenar. La velocidad a la que el rotor inicia la parada es la velocidad de desconexin y los procedimientos utilizados para que dicha desconexin se produzca se llaman de proteccin.En las primeras aeroturbinas el paso de la pala era fijo por lo que las rfagas de viento provocaban fuertes sobrecargas mecnicas sobre los componentes de la turbina, que tenan que estar sobredimensionadas. Con la introduccin del paso variable se limitan las cargas mximas en la turbina, y con esta innovacin comienza el proceso de disminuir los esfuerzos mecnicos que se generaban durante las rfagas de viento en los momentos en que su velocidad media era del orden de la nominal, inicindose tambin el proceso de ofrecer rotores de varios dimetros para adecuarse a las condiciones del emplazamiento. Para las mquinas elicas que accionan un generador elctrico se han diseado diversos sistemas de regulacin, ya en desuso, tales como:a) Regulacin por frenos aerodinmicos que se activan por la accin de la fuerza centrfuga y que actan cuando el giro del rotor no es el adecuado por sobrepasar un cierto valor.Todos ellos se basan en el efecto de la fuerza centrfuga de rotacin y la actuacin del frenado aerodinmico se realiza mediante un dispositivo adecuado, que consiste en colocar perfiles aerodinmicos en los extremos de las palas del rotor que actan cuando ste alcanza altas velocidades. El sistema implica la regulacin por variacin del ngulo de inclinacin de las palas, que puede ser de toda la pala, de parte de la pala o mediante alerones. La sencillez de los mecanismos de regulacin es una de las principales caractersticas de los aerogeneradores de baja potencia. Los sistemas, cada vez ms complejos, se simplifican mediante la introduccin de nuevas tecnologas y los nuevos materiales permiten disear elementos resistentes y flexibles que facilitan la regulacin, como en el caso del modelo desarrollado por la Universidad de East-Hartfort (USA) Fig. III.12.La regulacin por medio de palas orientables es la ms utilizada en las grandes mquinas; su funcionamiento consiste en actuar sobre el ngulo de calaje de cada pala, ya que como es sabido, la fuerza aerodinmica que acta sobre ella es funcin del ngulo que, a su vez, lo es tambin del ngulo de ataque y del de calaje , ( = + ); as se consigue variar la fuerza aerodinmica que acta sobre la pala sin ms que hacer variar el ngulo de calaje, que se controla por procedimientos mecnicos relacionados con la velocidad de ataque del viento

Fig III.12.- Regulacin del ngulo de inclinacin de las palas mediante resortes, por accin de la fuerza centrfuga, perodo 1950-70 (Aerowatt)

Fig III.13.- Sistema de regulacin centrfugo del ngulo de inclinacin de las palas mediante bieletasFig III.14.- Sistema de regulacin centrfugo desarrollado por la Universidad de East-Hartfort (USA)

Fig III.15.- Regulacin del calaje de las palas

Fig III.16.- Regulacin del ngulo de inclinacin de las palas por accin de la fuerza centrfuga, (Windcharger)Una variante del sistema de regulacin por alerones es el sistema dans en el que el extremo de las palas juega el papel de freno aerodinmico con viento fuerte; con viento normal, el alern mvil que se encuentra en la prolongacin de la pala, cuya superficie es del orden de la dcima parte de la de la misma, constituye el elemento de frenado que se acciona mediante un servomotor hidrulico; en caso de velocidad excesiva llega a girar 60, introduciendo as un par de frenado considerable. Otra solucin consiste en accionar los alerones mediante un regulador centrfugo.b) Mediante el control electrnico de la potencia, se puede variar la velocidad del rotor, en un pequeo margen, mediante resistencias rotricas variables, controladas por un microprocesador y accionadas por interruptores estticos; de esta forma se consigue variar el deslizamiento del generador, y con ello la velocidad del rotor.c) Regulacin por desenganche de las palas (Darrieux) en las que mediante la accin de una varilla, stas se pueden dejar en una posicin en la que no acte sobre ellas el viento, Fig III.17. Esta situacin se conoce tambin como regulacin por bandera y se utiliza en aquellas mquinas elicas cuya velocidad de giro no tiene la necesidad de ser constante, por no accionar generadores elctricos. Los dispositivos que utilizan el desenganche aerodinmico de las palas originan vibraciones debido a las estelas que aparecen sobre el extrads de las palas. Los dispositivos que colocan las palas paralelamente a un viento de velocidad fuerte son mejores. Evidentemente cada aerogenerador debe tener un freno mecnico para parar el rotor. Fig III.17.- Regulacin por desenganche de las palas

d) Regulacin por orientacin del rotor (en aerogeneradores de baja potencia), cuando la velocidad del viento comienza a ser peligrosa para la hlice, que pone sus palas orientadas de modo que ofrezcan al viento la mnima superficie posible, para que ste no interaccione con ellas.En la Fig III.18 un muelle permita un giro de la hlice de 90 alrededor de un eje vertical.En la Fig III.19 un muelle permita un giro de la hlice de 90 alrededor de un eje horizontal.En la Fig III.20 el efecto se consigua mediante una veleta auxiliar o mediante el empuje aerodinmico sobre una excntrica.En los dispositivos de palas fijas, los procedimientos que conseguan la regulacin del giro del rotor, hacan que el plano del mismo girase de manera que la superficie que se ofreca al viento disminuyera; sto se consegua con una conexin que articulaba el eje del rotor con el eje de transmisin o colocando una excntrica que haca que la fuerza de empuje del viento produjese un par que desorientaba el plano del rotor. En estas situaciones la hlice dejaba de estar en posicin frontal a la direccin del viento.

Fig III.18.- Regulacin por giro de la hlice de 90 respecto a un eje verticalFig III.19.- Regulacin por giro de la hlice de 90 respecto a un eje horizontalFig III.20.- Regulacin por giro de la hlice de 90respecto a un eje horizontal (sistema de pala lateral)

Fig III.21.- Regulacin por giro de la hlice de 90 respecto a un eje horizontal (sistema de eje excntrico)

Fig III.22.- Dispositivo de eje de regulacin inclinadoFig III.23.- Sistema de regulacin por orientacin del rotor

e) Otras formas de frenado.- El frenado aerodinmico con palas huecas permita reducir la velocidad del aerogenerador mediante la aparicin de una corriente de aire en la periferia de las palas, en el supuesto de que stas sean huecas, como en el aerogenerador Andreu-Enfield Fig III.24. El frenado aerodinmico con una hlice secundaria fijada a la hlice principal Fig III.25, la gran anchura de la hlice secundaria permita asegurar el arranque de la aeroturbina, as como el frenado cuando el viento era demasiado fuerte. A partir de una cierta velocidad, por efecto de la fuerza centrfuga, las palas del regulador se separan de la hlice principal, de forma que el sentido de rotacin alrededor de su propio eje es tal que su ngulo de asiento se anula, adquiriendo a continuacin un valor negativo; el par que era motor en el arranque y velocidades pequeas, pasa a valer cero y despus se convierte en par resistente, no permitiendo que la mquina se embale.Fig III.24.- Sistema de regulacin por palas huecas

Fig III.25.- Sistema de regulacin por palas secundarias fijadas a las palas principales (Aerogenerador Pars-Rhne)

Tendencias actuales en el diseo del aerogeneradorLos factores que influyen en el aprovechamiento de la energa elica son el emplazamiento y el aerogenerador, y slo mediante una adecuada combinacin de ambos se puede alcanzar un buen rendimiento en un parque elico.Los emplazamientos difieren unos de otros no slo en la velocidad media anual del viento, sino tambin en la distribucin de frecuencias de esa velocidad (cuntas horas sopla el aire en cierto rango de velocidades), la turbulencia del lugar, y el perfil de velocidades del viento con la altura. La orografa del lugar y la rugosidad del suelo juegan un papel importante.Con este panorama parece sencillo admitir que tiene que existir una cierta adecuacin de la turbina al emplazamiento. Si existe una cierta flexibilidad a la hora de elegir parmetros como la altura de torre o el dimetro del rotor, se puede disear un prototipo nico de gndola para una turbina que aproveche al mximo los recursos de cada emplazamiento.Las diferentes alturas de la torre permiten jugar con ciertos compromisos como:Una mayor altura permite captar vientos con flujo ms laminar, en principio (salvo orografa complicada) de mayor velocidad media y con menor diferencia entre la velocidad del viento en la parte superior e inferior de la circunferencia barrida). Lgicamente el costo es superior, y en ciertos emplazamientos, como las crestas de los montes, puede existir una inversin del perfil de vientos con lo que no siempre es cierto que a mayor altura la velocidad del viento es mayor.Por otra parte, para un mismo tipo de turbina se pueden ofertar diversos dimetros del rotor; por ejemplo, para una turbina de 600 kW se pueden ofertar rotores de 39, 42 y 44 m de dimetro.Un rotor mayor (ms caro) permite captar ms energa del viento, disminuyendo la velocidad nominal del viento a la que se genera la potencia nominal.Sin embargo la velocidad de corte del viento, a la que la turbina se detiene por cuestiones de seguridad, es menor con lo que existe el riesgo de desaprovechar horas de vientos fuertes. En principio, cuanto menor es la velocidad media anual del viento en un emplazamiento se debe elegir un rotor ms grande, siempre que la turbulencia del viento en el lugar se mantenga en niveles aceptables.

Torres flexibles y torres rgidas.- Si la orografa no es compleja, a mayor altura, mayor es la velocidad del viento puesto que el efecto de friccin de las capas contra el suelo disminuye.Este hecho, junto con el de aumento de la potencia de las turbinas (y por consiguiente del dimetro del rotor), hace que los diseos tiendan a torres ms altas.Existe el problema de que cuando la frecuencia propia de la torre, junto con el peso de la gndola y palas, coincide con la frecuencia a la que gira el rotor, que origina un movimiento vibratorio peligroso en la torre, ambas frecuencias entran en resonancia y pueden destruir el aparato.Torres rgidas.- Las torres rgidas, que son las que se han construido hasta hace unos aos, se lastraban para aumentar la frecuencia propia de la instalacin y alejarlas as de la frecuencia de operacin del rotor. Como la frecuencia propia de la torre disminuye tanto al aumentar la altura, como al aumentar el peso de la gndola y palas de diseos de mayor potencia, el material a aadir para hacer ms rgida la torre aumentaba excesivamente.Torres flexibles.- Para paliar el efecto de lastrado o sobrecarga de la torre se ha tomado una solucin opuesta a la anterior, es decir, construir torres flexibles para que la frecuencia de resonancia del sistema sea menor que la frecuencia de operacin del rotor, lo cual se consigue a partir de una potencia y altura dadas; esta solucin supone un ahorro de material y tambin de costos.Paso variable y paso fijo.- Los diseos actuales de aerogeneradores se pueden clasificar en aerogeneradores de pala de paso fijo y aerogeneradores de pala de paso variable.Los de paso fijo presentan un ngulo de inclinacin de la pala constante cara al viento.Los de paso variable permiten adaptar dicha inclinacin de pala en funcin de la velocidad del viento, rotando alrededor del eje longitudinal de la pala, y modificando las propiedades del perfil aerodinmico en su confrontacin frente al viento incidente.Aerogeneradores de paso fijo.- Consisten en una aeroturbina de palas fijas y un generador de rotor de jaula bobinada (mquina asncrona de induccin), conectados mediante una caja multiplicadora de engranajes. El devanado del estator del generador est conectado a la red.Sus ventajas fundamentales son la simplicidad del equipo y costo, por lo que se utilizan mayoritariamente en sistemas de baja potencia; a velocidades de viento altas no aprovechan ptimamente las propiedades aerodinmicas de las palas, con la consiguiente prdida de energa captada. Al ser un diseo fijo, a velocidades de viento altas los esfuerzos mecnicos son considerablemente altos, con lo que las palas se deben construir de tal manera que soporten tales tensiones, aumentando su coste. No disponen de un autofrenado, con lo que en caso de embalamiento hay que instalar un freno que sea capaz de absorber toda la energa cintica de las palas. Este tipo de control tiene problemas de par de arranque del rotor, con lo que a veces el arranque es motorizado (utilizando el generador como motor).En ciertas turbinas de paso fijo se incluyen ciertos frenos aerodinmicos como control de punta de pala, alerones, etc, para evitar el embalamiento.Aerogeneradores de paso variable.- En sistemas de alta potencia es rentable instalar un mecanismo de giro de inclinacin de las palas, que supone una mayor complejidad y costo del equipo, pero que se justifica por las ventajas que a continuacin se exponen:a) Al variar el ngulo de inclinacin de las palas se consigue optimizar el aprovechamiento de la energa del viento en todo el rango de velocidades, muy particularmente por encima de la velocidad nominal de la turbina.b) Con paso variable, las cargas mecnicas sobre las palas y el resto del aerogenerador son menores, permitiendo un diseo ms ligero y de menor coste de la pala. Las cargas horizontales sobre la turbina se reducen, minimizando tambin la cimentacin.c) Al poder orientar la pala se resuelve de forma aerodinmica el frenado de la turbina en caso de embalamiento. Por sto, el freno hidrulico de emergencia de la turbina se puede disear ms pequeo sin comprometer la seguridad de la operacin. En las turbinas de paso variable la pala es un elemento estructural nico, con la consiguiente simplicidad. El par de arranque de la turbina es bueno puesto que el ngulo de paso de las palas se regula, consiguindose el ptimo par de arranque y con posibilidad de arranque a velocidades inferiores de viento.d) En zonas donde el ruido generado es un problema, el paso variable le disminuye a altas velocidades de viento o incluso puede limitar la generacin de ruido a cualquier velocidad de viento (en Alemania existen turbinas en zonas habitadas que se desconectan si el nivel de ruido excede cierto valor).e) La turbina se puede ajustar, mediante un software adecuado, a trabajar a una potencia inferior a la establecida normalmente en caso de redes muy dbiles, o para realizar ciertos ensayos, consiguindose adems evitar el problema de la sensibilidad del momento de entrada en prdida de la pala ante ciertos parmetros, como la densidad del aire o la suciedad en la pala. El nico parmetro a la hora de disear una pala es optimizar la captacin de energa y no el punto de entrada en prdida (remolinos) del perfil de la pala.Velocidad variable y velocidad fija.- Dentro de las mquinas de paso variable, las diferentes opciones de regulacin de velocidad se pueden comparar, desde los diseos menos sofisticados a los ms complejos.Aerogenerador de velocidad fija.- La estructura del aerogenerador de velocidad fija consiste en una caja multiplicadora y un generador asncrono directamente acoplado a la red por su estator, con unas bateras de condensadores para compensar la energa reactiva. Muchos de los aerogeneradores de gran potencia que operan hoy en da en parques elicos son de este tipo. Incorporan un generador asncrono de rotor de jaula bobinada estndar, gracias al cual se consigue un precio ajustado. Los inconvenientes de funcionar a velocidad fija son las sobrecargas mecnicas que se generan debido a las rfagas de viento. Estas fluctuaciones de potencia en el viento se traducen, aunque filtradas, en fluctuaciones de la potencia elctrica generada.El deslizamiento del generador vara con la energa generada cuando vara la velocidad, y es funcin de la resistencia del devanado del rotor, es decir, a mayor resistencia mayor deslizamiento, por lo que una forma de variar el deslizamiento consiste en variar la resistencia del rotor del alternador.El generador asncrono demanda energa reactiva de la red, lo cual es otro inconveniente desde el punto de vista de la red elctrica; el consumo de energa reactiva del generador de rotor de jaula se compensa y corrige con bateras de condensadores.La inestabilidad del viento supone, por lo tanto, un problema para la maquinaria del aerogenerador y para la red elctrica de distribucin.

Fig III.30.- Esquemas de aerogeneradores de velocidad fija y generador asncrono conectados directamente a la red por su estatorDeslizamiento variable.- La estructura de deslizamiento variable consta de un sistema multiplicador, generador asncrono y unas resistencias del rotor variables. Al variar la resistencia del rotor se vara el deslizamiento, entre un 1% y un 10%, lo que permite a los aerogeneradores absorber los golpes de viento, reduciendo las cargas extremas sobre el multiplicador, a la vez que se genera una potencia elctrica sin fluctuaciones; este sistema est patentado bajo el nombre de Opti-Slip(R) en el que las resistencias externas van montadas en el propio rotor, junto con el sistema electrnico.La energa de las rfagas de viento se elimina mediante un ligero aumento de la velocidad de la cadena cinemtica y mediante la disipacin en resistencias en el rotor. El sistema necesita compensacin de energa reactiva mediante bateras de condensadores, al igual que en el caso anterior.El control de orientacin de las palas es relativamente sencillo, el aumento de precio es pequeo y el generador sigue siendo un generador estndar de jaula de ardilla, al que se le aade un mdulo de resistencias variables en la parte posterior.

Fig III.31.- Esquema de aerogenerador de velocidad variable y generador de induccin jaula de ardilla

El deslizamiento se puede empezar a aumentar cuando se est cerca de la potencia nominal de la aeroturbina, funcionando el generador en estas circunstancias, aproximadamente, a la mitad de su deslizamiento mximo. Con una rfaga de viento, las seales del mecanismo de control hacen que el deslizamiento aumente para permitir que el rotor gire un poco ms rpidamente, hasta que el mecanismo regulador del cambio del ngulo de paso de las palas pueda hacer frente a la situacin; a partir de este momento, el deslizamiento disminuye.Velocidad variable con generador de induccin doblemente alimentado.- Este sistema est formado por un sistema multiplicador y un generador asncrono cuyo estator est conectado directamente a la red y cuyo rotor lo est a travs de dos convertidores de frecuencia.Con esta estructura se consigue regular la velocidad del sistema en un rango del orden de la velocidad nominal. Los convertidores no deben soportar toda la potencia de la mquina, sino slo una fraccin de ella, resultando de sto un equipo electrnico ms sencillo. Al poder variar la velocidad, nos acercamos ms a puntos de rendimiento aerodinmico ms altos.El generador asncrono es estndar, de jaula de ardilla de rotor bobinado. A velocidades altas del viento se genera energa por el rotor; la potencia de salida no tiene fluctuaciones. La potencia reactiva se puede controlar, como en el caso de un generador sncrono. Las rfagas no implican sobrecargas en el multiplicador, sino que es una energa que se emplea en aumentar la velocidad.

Fig III.32.- Esquemas de aerogeneradores de velocidad variable y generador de induccin asncrono doblemente alimentado. Su estator va acoplado directamente a la red y su rotor lo est a travs de dos convertidores de frecuencia.

El inconveniente es el aumento de precio debido a la utilizacin de un sistema de control ms sofisticado y de los equipos electrnicos de conversin de potencia en el rotor.

Velocidad variable con generador sncrono multipolo.- Este sistema es el ms complejo de todos. El sistema multiplicador se elimina merced a un generador sncrono multipolo, emplendose para variar la velocidad en el estator dos convertidores que controlan toda la potencia de la mquina.Las ventajas de este sistema son:

- La mejora del rendimiento aerodinmico

- La potencia de salida sin fluctuaciones

- El control de la energa reactiva

- La eliminacin del sistema multiplicador

Fig III.33.- Esquemas de aerogeneradores de velocidad variable y generador sncrono multipolo

Aerogenerador

Sin embargo, este sistema puede tener grandes inconvenientes ya que la eliminacin del multiplicador implica la construccin de un generador muy complicado, que ya no es estndar y, por lo tanto, caro. Adems como los equipos electrnicos de conversin de potencia manejan toda la potencia, encarecen el aerogenerador. A pesar de sto, es el futuro de los grandes aerogeneradores.6.1. Elementos clave para la energa elica.

Viento: Se considera viento a toda masa de aire en movimiento, que surge como consecuencia del desigual.

Calentamiento de la superficie terrestre, siendo la fuente de energa elica, o mejor dicho, la energa mecnica que en forma de energa cintica transporta el aire en movimiento.La Tierra recibe una gran cantidad de energa procedente del Sol que en lugares favorables puede llegar a ser del orden de 2000 Kw/m2 anuales; el 2% de ella se transforma en energa elica capaz de proporcionar una gran potencia.

Generador: Un generador elctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial elctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores elctricos son mquinas destinadas a transformar la energa mecnica en elctrica. Esta transformacin se consigue por la accin de un campo magntico sobre los conductores elctricos dispuestos sobre una armadura (denominada tambin estator). Si mecnicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.).

6.2. Aerogenerador.

Es un generador elctrico movido por una turbina accionada por el viento (turbina elica). Sus precedentes directos son los molinos de viento que se empleaban para la molienda y obtencin de harina. En este caso, la energa elica, en realidad la energa cintica del aire en movimiento, proporciona energa mecnica a un rotor hlice que, a travs de un sistema de transmisin mecnico, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifsico, que convierte la energa mecnica rotacional en energa elctrica.

6.3. Partes de un aerogenerador o turbina elica.Un aerogenerador se puede descomponer en 5 partes fundamentales:

Cimentacin: Es una base de hormign con una puesta a tierra en cobre. Sobre esta superficie descansar el aerogenerador, la nivelacin de esta superficie es fundamental para la estabilidad del equipo.

Torre: Existen dos tipos de torre; las torres de celosa y las torres tubulares. Torres de celosa: Una torre puede estar hecha a partir de perfiles de acero que se arman formando una celosa. Una torre de celosa es muy fuerte y barata de fabricar. Esto es debido a que no hay que utilizar tanto acero para hacer una torre de celosa como el que se utiliza para fabricar una torre tubular. Torres tubulares: Las mejores torres para grandes aerogeneradores estn fabricadas en forma de tubo, ligeramente ms ancho en la parte inferior que en la superior.Se dice que la torre es cnica, este tipo de torre es muy resistente.

Gndola: Se encuentra en la parte superior de la torre y junto a la hlice es el alma de la mquina, en la gndola se encuentra todo el equipo elctrico de generacin y el equipo electrnico de control.

Hlices: son dispositivos rotatorios, construidos con un perfil aerodinmico diseado para girar a grandes velocidades cuando el viento los encuentra perpendicularmente, estas hlices generalmente estn construidas con materiales compuestos, los cuales las hacen muy fuerte y ligeras a la vez.

Transformador: Es la mquina elctrica esttica encargada de regular el voltaje de la corriente generada por la hlice con el fin de hacer que la energa sea til y compatible con la energa que circula por el sistema interconectado.

6.4. Descripcin de las partes localizadas en la gndola.

Imagen 1. Caja multiplicadora.

Imagen 2. Eje principal.

Imagen 3. Detalle del eje pequeo.

Imagen 4. Generador principal de la turbina elica.

Imagen 5. El controlador enva datos a la sala de control donde se hacen los ajustes necesarios A la torre segn sea requerido.

Imagen 6. Detalle de la veleta en un generador elico.

Imagen 7. El motor de orientacin hace posible que las rdenes de ajuste dadas por el personal o por la veleta se hagan efectivas en un giro de la gndola.

Imagen 8. La corona de orientacin es el mecanismo fundamental de rotacin de las torres tubulares y de celosa.

6.4.1. Materiales de construccin de un rotor.

Una cuestin que hay que tener muy en cuenta en el diseo de un rotor es el problema estructural, por cuanto siempre es posible disear una pala muy buena desde el punto de vista aerodinmico, pero que no sea capaz de resistir los esfuerzos a que est sometida.

Otra cuestin importante es el proceso de fabricacin del rotor, puesto que una disminucin de costes en este sentido tiene que rebajar el coste de la instalacin.

Las palas van a estar sometidas a condiciones de trabajo muy duras, como fenmenos de corrosin, erosin, contracciones y dilataciones debidas a las vibraciones (fatiga), etc. y de ah el que sea muy importante el material con que se construyan; en su fabricacin se pueden utilizar materiales baratos como telas (equipos econmicos), maderas, pero una de las soluciones ms interesantes consiste en utilizar estructuras de aleaciones de aluminio (duraluminio) con chapa fina, larguero central resistente y costillas que le proporcionen una cierta rigidez, sta parece la concepcin ms simple pero quizs sea la ms cara; por ello se pueden utilizar otros procedimientos como sustituir el aluminio por acero con el inconveniente de un mayor peso para resistencias anlogas.

Diagrama 1. Estructura moderna de una pala.

Otro tipo de estructura previsible es la de fibra de vidrio, que se puede realizar de diversas formas. Se pueden construir mediante bobinado o colocando la fibra en sentido longitudinal o en direccin del eje, con lo que la resistencia aumenta considerablemente; estas fibras pueden ser, complejos de resinas sintticas (fibra de vidrio + resinas epoxi), (fibra de vidrio + polisteres), (fibras de carbono + elastmeros), etc., que se pueden moldear fcilmente, y que son interesantes para pequeas series.

Para la construccin de la parte mvil de las palas se puede utilizar plstico armado debido a su ligereza y resistencia y para la parte fija plstico y acero.

Diagrama 2. Materiales y estructuras utilizadas para la construccin de las palas de los aerogeneradores.

6.4.1.1. Dimensiones de las palas.La anchura de las palas no interviene prcticamente en la potencia generada por el viento; las palas finas permiten una velocidad de rotacin muy grande, gracias a la disminucin de su masa y del rozamiento con el aire; sin embargo, tienen el inconveniente de ser muy frgiles y el de no presentar una superficie frontal suficiente para proporcionar un par de arranque adecuado. Se suele tomar una anchura de pala (cuerda) del orden de 1/20 1/50 del dimetro descrito por ellas, estando comprendido el ngulo de calaje de la pala entre 3 y 8. La ventaja de elegir un TSR alto (para el caso de una hlice bipala del orden de 10), es la de obtener una mquina elica ligera, simple y barata.Por otro lado, como estas mquinas suelen ir acopladas a generadores elctricos que requieren, en general, una velocidad de rotacin sincrnica, precisan de un sistema multiplicador de revoluciones con un mnimo de engranajes, con lo que las prdidas por rozamiento disminuyen. Simplificando la transmisin. En general, el rotor se puede construir con palas filas o con palas de paso variable. El primer sistema presenta la ventaja de la robustez. El segundo es ms frgil pero tambin requiere de mayores cuidados. En la escala de grandes potencias las experiencias americanas y danesas muestran que la mejor solucin consiste en utilizar palas de paso fijo cerca del cubo y de paso variable en la otra extremidad.

6.4.1.2. Sistemas para la regulacin de la velocidad de giro.

Un dispositivo muy importante en un aerogenerador elico es el que permite la regulacin y control del nmero de revoluciones, que adems sirve de proteccin de dicha mquina para velocidades del viento superiores a las admisibles bajo el punto de vista estructural. Cuando una mquina est sometida a una determinada velocidad del viento, comienza a girar; dicha velocidad es la velocidad de conexin, pero su giro es lento y la mquina est lejos de generar su mxima potencia. A medida que la velocidad del viento aumenta el rotor gira ms deprisa y la potencia que produce tambin aumenta; a una determinada velocidad (nominal), el rotor gira a las revoluciones precisas para que la mquina proporcione su potencia nominal y a partir de este momento, aunque aumente la velocidad del viento, no interesa que la velocidad de giro aumente, por lo que hay que actuar sobre ella regulando su velocidad. Si la velocidad del viento sigue aumentando, el rotor puede peligrar desde el punto de vista estructural siendo muy importante disminuir las vibraciones; por eso, cuando esta velocidad aumenta mucho, el rotor se tiene que frenar.La velocidad a la que el rotor inicia la parada es la velocidad de desconexin y los procedimientos utilizados para que dicha desconexin se produzca se llaman de proteccin. En los primeros aerogeneradores el paso de la pala era fijo por lo que las rfagas de viento provocaban fuertes sobrecargas mecnicas sobre los componentes de la turbina, que tenan que estar sobredimensionadas. Con la introduccin del paso variable se limitan las cargas mximas en la turbina, y con esta innovacin comienza el proceso de disminuir los esfuerzos mecnicos que se generaban durante las rfagas de viento en los momentos en que su velocidad media era del orden de la nominal, inicindose tambin el proceso de ofrecer rotores de varios dimetros para adecuarse a las condiciones del emplazamiento. La energa de las rfagas de viento, que son crticas si la velocidad del viento est por encima de la nominal, se emplea en aumentar la energa cintica de rotacin del rotor, y no en esfuerzos en los elementos mecnicos (ejes, rodamientos, multiplicador). A este sistema de deslizamiento variable se le dio el nombre de Opti-Slip. Para las mquinas elicas que accionan un generador elctrico existen diversos sistemas de Regulacin.

Diagrama 3. El sistema de regulacin centrfugo del ngulo de inclinacin de las palas mediante bieletas, es una de las diversas alternativas, que usan la aerodinmica de las palas para modificar la velocidad de las mismas.

7. CONCLUSIONES

La generacin de energa elctrica mediante el uso de aerogeneradores (o torres elicas), es un proceso laborioso que requiere bastantes consideraciones desde el punto de vista de la ingeniera si se desarrolla en forma de grandes centrales de generacin de elctrica elica, sin embargo tras realizar la investigacin y la redaccin de este documento, se puede decir que los principios bsicos de funcionamiento de un sistema elico son relativamente sencillos, y que si se eliminan los sistemas de control informtico, se puede considerar el uso de aerogeneradores, mucho ms pequeos y sencillos, en hogares y/o fincas que dispongan de cierto espacio para un dispositivo de este tipo. Se logr crear un documento bastante condensado que cubriera los aspectos generales envueltos en la generacin de electricidad, sin embargo es de resaltar que el tema abarca gran cantidad de temas y disciplinas, y que por lo tanto el contenido de este trabajo debe considerarse una introduccin al concepto de la energa elica.

8. GLOSARIO

Aerodinmica: La aerodinmica es la rama de la mecnica de fluidos que estudia las acciones que aparecen sobre los cuerpos slidos cuando existe un movimiento relativo entre stos y el fluido que los baa, siendo ste ltimo un gas y no un lquido, caso ste que se estudia en hidrodinmica.

Elico: Relativo o que depende del viento.

Generador elctrico: Es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial elctrico entre dos de sus puntos.

Hlice: La hlice es un dispositivo formado por un conjunto de elementos denominados palas o labes, montados de forma concntrica alrededor de un eje, girando alrededor de ste en un mismo plano.

IEC: (CEI o IEC, por sus siglas del idioma ingls International Electrotechnical Commission) es una organizacin de normalizacin en los campos elctrico, electrnico y tecnologas relacionadas. Numerosas normas se desarrollan conjuntamente con la ISO (normas ISO/IEC).

Corriente alterna: La electricidad que proviene de una batera es corriente continua (CC), es decir, los electrones circulan en una nica direccin. Sin embargo, la mayora de las redes elctricas del mundo son de corriente alterna (CA). Una de las razones para el uso de la corriente alterna es que resulta bastante barato aumentar o disminuir su voltaje, y cuando se desea transportar la corriente a largas distancias se tendr una menor prdida de energa si se utiliza la alta tensin. Otra de las razones por la que se utiliza corriente alterna es que resulta difcil y caro construir disyuntores (interruptores) para altas voltajes de CC que no produzcan chispas enormes.

BIBLIOGRAFA

Documento de ingeniera energtica Pedro Fernndez Diez Universidad de Cantabria 2007. Sistemas elicos de produccin de energa elctrica. Rodrguez Amenedo, J.l. y burgos Daz, JC. Y Arnalte Gmez, ISBN: 9788472071391. 2003 http://es.wikipedia.org Wikimedia Foundation Inc. (GNU Free Documentation License) 2009. Asociacin Mundial de Energa Elica WWEA: http://www.wwindea.org/home/index.php http://www.energiaslimpias.org/ Mquinas elctricas. Stephen J. Chapman Editorial: Mc Graw Hill ISBN 958-41-0056-43