Energía Eólica Principios Básicos

Autor Ing. Rafael Oliva

Proyecto FIC-R 30127778-0“EVALUACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES PARA SU

UTILIZACIÓN A NIVEL PRODUCTIVO EN LA PROVINCIA DE TIERRA DEL FUEGO”

Centro de Estudio de los Recursos Energéticos, UMAG2014

Fondo de Innovaciónpara la competitividad Regional (FIC-R)

INTRODUCCION

La energía eólica se ha utilizado durante miles de años para moler grano y bombear agua. En la actualidad, los modernos sistemas eólicos usan la energía del viento para mover turbinas que convierten esta energía en electricidad. El viento tiene el potencial de producir impor-tantes cantidades de electricidad limpia y, en este sentido, los sistemas eólicos de pequeña potencia desempeñan un papel importante.

Las máquinas eólicas para generación eléctrica de baja potencia (se las clasifica así si su potencia es inferior a unos 10 kW o kilovatios), han sido utilizadas para carga de baterías desde principios del siglo pasado. Últimamente están encontrando aplicaciones en otros campos, como el bombeo de agua con suministro eléctrico y la alimentación a redes aisla-das. Resultan convenientes en lugares remotos con buenos promedios de viento, y es muy común utilizarlas para alimentación de sistemas aislados en combinación con baterías y paneles fotovoltaicos. Algunas de las apli-caciones importantes son el suministro de 220V para usos domiciliarios, los accionamientos de válvulas en oleoductos, la protección contra la oxidación de tanques y tuberías a través de sistemas de protección catódica, y la alimentación de estaciones de comunicaciones o telecomando.

Los sistemas eólicos de baja potencia están basados en un Rotor, un Generador o un alternador montado en una estructura, una Cola (normalmente), un mástil o Torre (Figura 1), cables, y los componentes eléc-tricos: controladores, inversores, y/o baterías. El Rotor cuenta con dos, tres o más palas y al girar por acción del viento, impulsa al Generador. Este último produce corriente eléctrica que puede utilizarse directamente para impulsar motores o para cargar baterías, que funcionan como "estanque de reserva".

El régimen de viento en el sur patagónico de Chile y Argentina es particularmente interesante para emprendimientos eólicos, por debajo de los 40º de latitud Sur, e incluye a sectores importantes de la Patagonia Sur. Tiene características excepcionales en cuanto a velocidades medias anu-ales, y además direcciones predominantes del Oeste. Los vientos más fuertes tienen su ocurrencia en el verano, pudiéndose suponer que, en general, al Sur del paralelo 42º de latitud Sur, las velocidades medias anu-ales son en general mayores a 7,5m/s (unos 27 km/h) a una altura de 10 metros.

Centro de Estudio de los Recursos Energéticos, UMAG2014

Figura 1 – Sistema típico de generación eólica de baja potencia. El Genera-dor es impulsado por el Rotor, y la Cola se encarga de mantener el conjunto

(sostenido por la torre) orientado hacia la dirección de donde proviene el viento. (gent. Bornay - Esp)

II) OPERACION DE UNA MÁQUINA EOLICA

Desde los clásicos molinos europeos de la Edad Media se ha evolucionado bastante, pero el principio de funcionamiento de las máquinas eólicas sigue siendo similar. Básicamente existen los generadores eólicos de eje horizontal y los de eje vertical. Estos últimos no se han difundido tanto por problemas técnicos y de rendimiento, pero hay muchos funcionando en el mundo. Las máquinas eólicas modernas son casi exclusivamente de eje horizontal, y se parecen a los molinos para bombeo de agua difundidos en áreas rurales (Figura 2 - der) . Suelen tener menor número de palas que los bombeadores, a lo sumo cuatro, porque giran más rápido y logran un rendimiento mayor. El diseño de las palas es más elaborado para extraer toda la energía posible de las corrientes de aire. El material de las palas es generalmente madera, fibra de vidrio o de carbono, reforzada con epoxi o poliéster. Las torres son de tubería, acero u hormigón, con una altura que guarda relación con el diámetro del rotor y con el lugar donde se ubicará la máquina. (Para zonas poco ventosas, se eligen torres más altas: esto es debido a que el viento tiene velocidades crecientes con la altura y su turbulencia es menor). En la cima de la torre se ubica la góndola, que contiene al generador eléctrico y los mecanismos de seguimiento de dirección del viento, según Figura 1. Al pie de

la torre suele estar un conmutador o llave eléctrica, que conecta con el resto del sistema eléctrico. Para facilitar el mantenimiento, se suele usar una torre abatible (Figura 2)

Figura 2 – Aerogenerador Bergey XL.1 de 1 kilovatio con torre abatible de UMAG en Porvenir, en proceso de montaje.

Figura 2a –. Bombeador eólico mecánico tradicional

Figura 1 – Sistema típico de generación eólica de baja potencia. El Genera-dor es impulsado por el Rotor, y la Cola se encarga de mantener el conjunto

(sostenido por la torre) orientado hacia la dirección de donde proviene el viento. (gent. Bornay - Esp)

II) OPERACION DE UNA MÁQUINA EOLICA

Desde los clásicos molinos europeos de la Edad Media se ha evolucionado bastante, pero el principio de funcionamiento de las máquinas eólicas sigue siendo similar. Básicamente existen los generadores eólicos de eje horizontal y los de eje vertical. Estos últimos no se han difundido tanto por problemas técnicos y de rendimiento, pero hay muchos funcionando en el mundo. Las máquinas eólicas modernas son casi exclusivamente de eje horizontal, y se parecen a los molinos para bombeo de agua difundidos en áreas rurales (Figura 2 - der) . Suelen tener menor número de palas que los bombeadores, a lo sumo cuatro, porque giran más rápido y logran un rendimiento mayor. El diseño de las palas es más elaborado para extraer toda la energía posible de las corrientes de aire. El material de las palas es generalmente madera, fibra de vidrio o de carbono, reforzada con epoxi o poliéster. Las torres son de tubería, acero u hormigón, con una altura que guarda relación con el diámetro del rotor y con el lugar donde se ubicará la máquina. (Para zonas poco ventosas, se eligen torres más altas: esto es debido a que el viento tiene velocidades crecientes con la altura y su turbulencia es menor). En la cima de la torre se ubica la góndola, que contiene al generador eléctrico y los mecanismos de seguimiento de dirección del viento, según Figura 1. Al pie de

Hay una serie de parámetros que caracterizan a una máquina eólica, pero el comportamiento de la misma se describe fundamentalmente a través de la relación que da la potencia eléctrica en función de la velocidad de viento, y esta es una relación cúbica: la potencia es proporcional al cubo de la velocidad, o sea la velocidad multiplicada 3 veces por sí misma. Esto es, si un molino produce 100W de potencia a 6 m/s de V promedio, al subir la velocidad del viento a 8m/s (un aumento de apenas 33%) producirá 237W (un aumento del 137%!!).De esto podemos deducir que:- Las zonas con mejores promedios de viento son las que mejores rendimientos energéticos producen- Los aerogeneradores deben contar con algún mecanismo de limitación de potencia, para evitar su destrucción en vientos fuertes.

El principio de limitación de potencia por "cola plegable" es una alterna-tiva muy económica y ampliamente utilizada para potencias de hasta 10kW, tanto en molinos de bombeo de agua como en máquinas de gener-ación eléctrica. Su principio físico es la reducción de la superficie barrida por el rotor, mediante un desvío de éste respecto a la dirección del viento en un determinado ángulo. Esto permite reducir la superficie efectiva barrida y por lo tanto reducir la potencia que produce la máquina. El desvío se logra mediante una veleta articulada con resorte y una placa lateral de empuje, clásica en los molinos mecánicos de bombeo (Figura 3). El mismo sistema se utiliza en modernos molinos de algunos kW de poten-cia, para carga de baterías, aunque requieren la regulación precisa del resorte, para que el plegado ocurra a la velocidad de viento adecuada. Por otro lado, algunos nuevos diseños utilizan la gravedad en vez del resorte como mecanismo de retorno, resultando más confiables.

Figura 3 – Limitación de potencia por cola plegable con resorte.

Figura 3a – Limitación de potencia por cola plegable gravitatorio.

En los sistemas aislados impulsados por energías renovables como la eólica y la solar, el problema esencial es que el recurso energético es básicamente aleatorio. No es posible predecir (al menos con las herramientas actuales) exactamente en qué momento habrá viento o si estará nublado. Por lo tanto, las instalaciones necesitan contar con el tanque de reserva (las baterías) que mencionábamos y el costo inicial del sistema se incrementa.

Los cálculos estadísticos y las mediciones de viento permiten, hasta cierto punto, predecir en forma bastante precisa cuánto viento tendre-mos a lo largo de un período de, por ejemplo, un año. O cual es la canti-dad máxima de días sin viento en determinado lugar con una probabili-dad alta. Por eso es posible hacer que este tipo de sistemas sean renta-bles en la mayoría de los sitios aislados. Aunque su costo inicial sea relativamente alto, a diferencia de los sistemas basados en motores diesel u otros de combustible fósil, los sistemas eólicos o fotovoltaicos tienen costos de mantenimiento muy bajo. En general, para sistemas ubicados a más de un par de kilómetros de una red de distribución y con buenas condiciones ambientales, resultará más económico instalar un sistema con energías renovables que pagar por una extensión de la red. Una combinación ideal es, ante la existencia de un motor diesel con elevados costos de generación, agregar un sistema eólico y baterías. Esto permite utilizar el diesel sólo como reserva fría. Esto es especialmente cierto en zonas patagónicas, donde los inviernos son en general de poco viento en relación a los veranos. Por otro lado, el diesel puede servir para impulsar cargas de mayor potencia como mezclado-ras o herramientas de gran tamaño

Figura 4 – Diagrama de bloques, de un sistema con aerogenerador (4), regulador (5), baterías (3), inversor para cargas de 220V / 50 ciclos (6) y carga adicional a través de paneles solares (1) con su propio regulador

(2).

para las cuales no conviene utilizar el convertidor de baterías a 220V de corriente alternada (inversor) del sistema.

La complementación del eólico con sistemas de celdas solares fotovoltai-cas es en general rentable cuando se requiere alta confiabilidad. Si las condiciones de insolación son buenas, la ventaja de los sistemas fotovoltai-cos es que carecen de partes móviles y por lo tanto hay menos posibili-dades de problemas mecánicos. En general ocurre que aún en latitudes altas (Sur) la alternativa fotovoltaica proporcionará junto con la eólica un importante apoyo al sistema de baterías.

III) OPERACION DE UN GENERADOR EOLICO PARA CARGA DE BATERÍAS

En muchas aplicaciones, los aerogeneradores funcionan como carga-dores de baterías. El almacenamiento en baterías resulta económico para sistemas de generación aislados, cuando los costos de transporte y suminis-tro de combustible son elevados. Este es el caso de la mayoría de las estan-cias, puestos y asentamientos en las estepas magallánicas. También, como se mencionó en II), puede combinarse la fuente eólica con una solar, como se muestra en la Figura 4.

Figura 5a – Banco de baterías y regulador de 24V instalado por CERE/ UMAG, en Porvenir.

Figura 5 – Diagrama típico de aerogenerador de imán permanente, rectificador, baterías (48V), regulador y posibilidad de recarga a través de

moto generador diésel.

Hay muchas variantes en los sistemas, y la tecnología ha ido evolucionando en forma importante, pero la mayoría de los sistemas nuevos utilizan los llamados generadores de imanes permanentes aco-plados con un regulador electrónico de carga y a un banco de baterías de plomo ácido (Figura 5, sistemas de 48 V y 24V). El regulador evita la sobrecarga de la batería. Asimismo, el sistema suele incorporar un inversor (para convertir la tensión continua de las baterías en 220V CA / 50 ciclos, tipo domiciliario), y en algunos casos un generador diesel con posibilidad de cargar el banco de baterías (en situaciones de poco viento) y a la vez abastecer las cargas de 220V.

En estos sistemas, el banco de baterías funciona como un estanque de reserva con una entrada (la corriente del aerogenerador) y una salida (nuestra carga, por ejemplo un grupo de lámparas o el inversor). Cuando hay buen viento, el estanque se llena casi hasta el borde, aunque por la salida se drene constantemente corriente, dependiendo de nuestro consumo. Si no hay viento, podemos seguir consumiendo hasta vaciar el estanque (descargar el banco de baterías). Con suficiente dinero para instalarlo, el estanque puede hacerse tan grande como se quiera. Esto no resulta práctico ni económico, y hay formas de calcular un óptimo en el tamaño del banco de baterías para la cantidad de días sin viento prevista.

Los tipos de baterías utilizados son las llamadas baterías estacionarias, que están optimizadas para un mayor número de ciclos de carga-descarga que las baterías convencionales para automóviles. Estas últimas se optimizan para picos importantes de descarga (arranque), y utilizan un distinto espesor en las placas internas. Las estadísticas indican que el 85% del mercado de baterías estacionarias lo cubren las de plomo-ácido, seguidas por las de níquel-cadmio y otras tecnologías de menor difusión. Las de níquel-cadmio soportan en general mayor canti-dad de ciclos de carga/descarga (3000 aproximadamente) que las de plomo-ácido (1000-1500 ciclos), pero tienen un costo mayor, además de ser difíciles de reprocesar por la toxicidad del cadmio.

Decíamos que nuestro estanque (el banco de baterías) tenía un orificio de salida, constituido por la carga, que podían ser lámparas para ilumi-nación. Pero la salida de las baterías tiene el inconveniente de ser corri-ente continua, y en general de baja tensión. La mayoría de los electro-domésticos de uso habitual en nuestra región son para corriente alterna de 220V y 50 Hz o ciclos. Por ello, en sistemas aislados se utiliza a veces un convertidor electrónico de corriente continua a corriente alterna, tam-bién conocido como inversor.

Estos dispositivos tienen una entrada de corriente continua, (usualmente de 12, 24 o 48V), y una salida de corriente alternada de 220V que permite conectar televisores, sintonizadores satelitales, luminarias y otros componentes de uso común en el hogar, hasta un cierto límite de poten-cia. La tecnología de estos equipos ha evolucionado mucho también, siendo muchos modelos actuales de salida "senoidal pura" casi sin distor-sión, indistinguibles de la tensión de red y hoy es posible tener sistemas altamente confiables con protección contra cortocircuitos y sobrecar-gas a un precio moderado.

Otro tipo de carga pueden ser los equipos de comunicaciones, que en general requieren tensión continua y pueden ser alimentados directa-mente a partir de las baterías. Estos sistemas son comunes para alimen-tar las llamadas

Figura 6 – Sistema eólico de protección catódica - aerogenerador Bergey.

En estos sistemas, se utiliza una casilla o albergue para alojar el banco de baterías, el regulador y el convertidor electrónico. También es posible construir un alojamiento enterrado para el equipamiento que proporciona una mejor protección a un costo mayor.

repetidoras, estaciones que amplifican una señal de radiofrecuencia dentro de una cadena de transmisión. En general, las repetidoras están ubicadas en lugares aislados o remotos, y son por lo tanto una aplicación interesante para máquinas eólicas.

También resulta conveniente alimentar con aerogeneradores a los equipos de protección catódica. Estos sistemas frenan o evitan los procesos de oxidación de cañerías o tanques metálicos enterrados mediante la inyección de una corriente casi constante a través de un dispersor. Muchas veces los tanques o cañerías están en medio del campo, muy lejos de una línea de transmisión, y en la zona patagónica el viento hace redituable una instalación de este tipo alimentada por máquinas eólicas. En estos casos, el sistema es similar a los descriptos pero se utiliza como carga un convertidor CC/CC. Este tipo de converti-dores electrónicos alteran la característica de corriente-tensión de las baterías del banco y la adaptan a la salida requerida por el dispersor. En la Figura 6 puede verse una instalación de este tipo.

IV) OPERACION DE UN GENERADOR EOLICO PARA BOMBEO ELECTRICO DE AGUA

El sistema eolico-eléctrico de bombeo tiene dos variantes principales. La primera es la más eficiente por tratarse de un sistema directo, y no incluye almacenamiento alguno, según se muestra en la Figura 7. Los equipos funcionan operando bombas centrífugas sumergibles directa-mente (utilizando un controlador para el encendido y apagado) o a través de un inversor.

Figura 7 - Bombeo Eólico-Eléctrico sin Almacenamiento

La segunda variante es apropiada si existe necesidad de suministro eléctrico de 220V, además del bombeo de agua, y se muestra en la Figura 8. Dependiendo del costo individual de los componentes y las necesidades del sistema, puede resultar más económico concebirlo como un equipo multipropósito. En este caso se supone un equipo de 1 kW de potencia nominal, acoplado a un banco de baterías de 48V y un inversor de CC a CA de 2 kW, a 220V y 50Hz. El bombeo se realiza a través de una bomba monofásica, de modelo a seleccionar de acu-erdo a la profundidad, hacia un estanque tradicional.

Figura 8 - Bombeo con suministro eléctrico anexo.

Las desventajas de estos equipos son su elevado costo inicial, y la reducida oferta de fabricantes. La firma Grundfos, fabricante de bombas sumergibles de buena calidad, ofrece además su controlador SQFlex que permite el bombeo utilizando equipos eólicos convencionales, combinados o no con paneles solares fotovoltaicos.

Las ventajas de los equipos de bombeo electro-eólico son muchas, entre ellas mayor simplicidad, posibilidad de potencias grandes, y posibilidad de ubicar el aerogenerador separado hasta varios cientos de metros del pozo (tener en cuenta el costo del tendido de cable).

Figura 9 - Diagrama y Sistema Bergey de Bombeo en Llarasya -Bolivia

Figura 10 - Diagrama de sistema ofertado por Grundfos (Dinamarca) incluyendo equipos eólicos de Bombeo, bombas sumergibles y su unidad

de control flexible CU200.

CENTRO DE ESTUDIO DE LOS RECURSOS ENERGÉTICOS

MISIÓN

Aportar al desarrollo de la Región de Magallanes y Antártica Chilena, y de Chile por medio de promover la explotación racional de los recursos energéticos, ayudar al uso eficiente de la energía y liderar en la planificación energética utilizando herramientas de información espacial de los recursos naturales.

LÍNEAS DE TRABAJO

El Centro de Estudio de los Recursos Energéticos perteneciente a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Magallanes, CERE–UMAG, ha trabajado en desarrollar, innovar y adaptar tecnologías para lograr un mejor aprovechamiento de los recursos, especialmente los renovables. Ha contado para ellos, desde su creación en el año 1993. Temáticas abordadas:

Eficiencia Energética•Térmica e Iluminación•Reacondicionamiento Térmico de Viviendas (RTV).•Proyectos de Innovación y Desarrollo.

Energías Renovables•Eólica•Solar – Fotovoltaica•Biomasa•Marinas

Áreas Transversales•Fortalecimiento Capacidades•Laboratorio SIG•Vinculación con la comunidad

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