Unidad 1 AEROGENERADORES
Los aerogeneradores o turbinas de viento como también se les conocen, son máquinas que se encargan de convertir la energía cinética del viento en energía eléctrica. El diseño de los aerogeneradores recrea la apariencia de los antiguos molinos de viento. Su principio de funcionamiento se basa en aprovechar la energía eólica transformarla limpiamente en energía eléctrica. !ara e"plicarlo de manera más sencilla, sencilla, el flu#o flu#o del viento viento hace girar las paletas de la turbina dentro del aerogenerador de manera que genera electricidad a través de la rotación de una gigantesca bobina magnética. Los aerogeneradores, fundamentalmente son de dos tipos, los de turbina en e#e hori$ontal los de turbina en e#e vertical. %mbos modelos tienen venta#as desventa#as pero las de e#e hori$ontal son más comunes debido a que poseen much mucho o mao maorr nive nivell de efic eficie ienci ncia a en su desem desempe peño ño.. !ara !ara gener generar ar grand grandes es cantid cantidade adess de energía energía los aerogen aerogenera eradore doress se agrupan agrupan en grandes grandes parques parques eólicos. Las concentraciones varios aerogeneradores es necesaria para producir energía que pueda abastecer altas demandas de consumo.
1.1Generalidades Los aerogeneradores aerogeneradores pueden traba#ar traba#ar de manera aislada aislada o agrupados agrupados en parques eólicos o eólicos o plantas de generación eólica, distanciados unos de otros, en función del impacto ambiental de las turbulencias generadas por el movimiento de las palas. !ara aportar energía a la red eléctrica, eléctrica, los aerogeneradores aerogeneradores deben estar dotados de un sistema de sincroni$ación para que la frecuencia frecuencia de de la corriente generada se mantenga perfectamente sincroni$ada con la frecuencia de la red. &a en la primera mitad del siglo '', la generación de energía eléctrica con rotores eólicos fue bastante popular en casas aisladas situadas en $onas rurales. La energ energía ía eóli eólica ca se está está volv volvie iend ndo o más más popu popula larr en la actua actualilida dad, d, al habe haber r demostrado la viabilidad industrial, nació como b(squeda de una diversificación en el abanico de generación eléctrica ante un crecimiento de la demanda una situación geopolítica cada ve$ más complicada en el ámbito de los combustibles tradicionales.
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La energía eólica es eólica es aquella que se genera gracias a la energía cinética producida por las masas de aire en movimiento. Esta energía, que sigue en proceso de desarrollo, desarrollo, nace como respuesta a una maor demanda del consumo energético, la necesidad de garanti$ar la continuidad del suministro en $onas importadoras netas de recursos energéticos de la b(squeda de la sostenibilidad en el uso de los recursos. En general las me#ores $onas de vientos se encuentran en la costa, debido a las corrientes térmicas entre el mar la tierra) las grandes llanuras continentales, por ra$ones parecidas) las $onas montañosas, donde se producen efectos de aceleración local.
1.1.1 La generación generación eléctrica eléctrica mediante mediante fuerza fuerza eólica eólica
En la actu ctuali alidad, la energí rgía eól eólica es utili$ad $ada principalment ente para producir electricidad electricidad mediante mediante aerogeneradores aerogeneradores,, conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica. eléctrica. Los parques eólicos construidos en tierra suponen una fuente de energía cada ve$ más barata, competitiva o incluso más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía conv conven enci cion onal ales es.. !equ !equeñ eñas as inst instal alac acio ione ness eóli eólica cass pued pueden en,, por por e#em e#empl plo, o, proporcionar electricidad en regiones remotas aisladas que no tienen acceso a la red red eléct eléctri rica, ca, al igua iguall que que hace hace la energí energía a solar fotov fotovoltaic oltaica a. Las Las comp compañ añía íass eléctr eléctrica icass distri distribui buidor doras as adquier adquieren en cada cada ve$ en maor maor medida medida el e"ceso e"ceso de electricidad producido por pequeñas instalaciones eólicas domésticas. El auge de la energía eólica ha provocado también la planificación construcción de parques eólicos marinos, situados cerca de las costas. La energía del viento es más estable fuerte en el mar que en tierra, los parques eólicos marinos tienen un impacto visual menor, pero los costes de construcción mantenimiento de estos parques son considerablemente maores. % finales de *+-, la capacidad mundial instalada de energía eólica ascendía a /+ gigavatios gigavatios,, generando alrededor del 01 del consumo de electricidad mundial. 2inamarca genera 2inamarca genera más de un *0 1 de su electricidad mediante energía eólica, más más de 3+ país países es en todo odo el mund mundo o la util utili$ i$an an de forma orma crec crecie ient nte e para para propo proporc rcio ionar nar energ energía ía eléc eléctr tric ica a en sus sus rede redess de dist distri ribuc bució ión, n, aume aument ntand ando o su capac capacid idad ad anua anualm lment ente e con con tasas tasas por por enci encima ma del del *+ 1. En España España la la energía 2
La energía eólica es eólica es aquella que se genera gracias a la energía cinética producida por las masas de aire en movimiento. Esta energía, que sigue en proceso de desarrollo, desarrollo, nace como respuesta a una maor demanda del consumo energético, la necesidad de garanti$ar la continuidad del suministro en $onas importadoras netas de recursos energéticos de la b(squeda de la sostenibilidad en el uso de los recursos. En general las me#ores $onas de vientos se encuentran en la costa, debido a las corrientes térmicas entre el mar la tierra) las grandes llanuras continentales, por ra$ones parecidas) las $onas montañosas, donde se producen efectos de aceleración local.
1.1.1 La generación generación eléctrica eléctrica mediante mediante fuerza fuerza eólica eólica
En la actu ctuali alidad, la energí rgía eól eólica es utili$ad $ada principalment ente para producir electricidad electricidad mediante mediante aerogeneradores aerogeneradores,, conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica. eléctrica. Los parques eólicos construidos en tierra suponen una fuente de energía cada ve$ más barata, competitiva o incluso más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía conv conven enci cion onal ales es.. !equ !equeñ eñas as inst instal alac acio ione ness eóli eólica cass pued pueden en,, por por e#em e#empl plo, o, proporcionar electricidad en regiones remotas aisladas que no tienen acceso a la red red eléct eléctri rica, ca, al igua iguall que que hace hace la energí energía a solar fotov fotovoltaic oltaica a. Las Las comp compañ añía íass eléctr eléctrica icass distri distribui buidor doras as adquier adquieren en cada cada ve$ en maor maor medida medida el e"ceso e"ceso de electricidad producido por pequeñas instalaciones eólicas domésticas. El auge de la energía eólica ha provocado también la planificación construcción de parques eólicos marinos, situados cerca de las costas. La energía del viento es más estable fuerte en el mar que en tierra, los parques eólicos marinos tienen un impacto visual menor, pero los costes de construcción mantenimiento de estos parques son considerablemente maores. % finales de *+-, la capacidad mundial instalada de energía eólica ascendía a /+ gigavatios gigavatios,, generando alrededor del 01 del consumo de electricidad mundial. 2inamarca genera 2inamarca genera más de un *0 1 de su electricidad mediante energía eólica, más más de 3+ país países es en todo odo el mund mundo o la util utili$ i$an an de forma orma crec crecie ient nte e para para propo proporc rcio ionar nar energ energía ía eléc eléctr tric ica a en sus sus rede redess de dist distri ribuc bució ión, n, aume aument ntand ando o su capac capacid idad ad anua anualm lment ente e con con tasas tasas por por enci encima ma del del *+ 1. En España España la la energía 2
eólica produ#o un *, 1 del consumo eléctrico en *+, convirtiéndose en la tecnología con maor contribución a la cobertura de la demanda, por encima incluso de la energía nuclear . La energía eólica es un recurso abundante, renovable renovable,, limpio auda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reempla$ar fuentes de energía a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. verde. El impacto ambiental de este tipo de energía es además, generalmente, menos problemático que el de otras fuentes de energía.
1.1.2 Aergeneradres energ!a accesi"le Los aerogeneradores, tienen diversas aplicaciones específicas, a sea eléctricas o de bombeo de agua, mediante el aprovechamiento transformación de energía eólica en energía mecánica. Se entiende por energía eólica a los vientos que e"isten en el planeta producto de fenómenos que se estudiaran más adelante. Esta energía, es inagotable, no contamina) aunque la instalación de uno de estos aparatos es relativamente costosa morosa, a la larga se sentirán los resultados positivos, especialmente en el campo económico. 4n punto que vale hacer notar, es la autonomía frente a la fuente más cercana accesible, que en este caso es la Empresa 5acional de Energía 6E52E7. Esta (ltima no siempre se presenta en los pueblos ale#ados, por el costo que supone instalar una red hacia aquellos.
1.1.# 1.1 .# $is $istr tria ia de de ls ls aerg aergene enerad radre ress Es impor importa tant nte e dest destaca acarr e inte interes resant ante e adem además, ás, algu algunas nas fech fechas as dent dentro ro de la tecnología eólica de la utili$ación de aeromotores. En el s. 8 a.9. se encuentran los primeros aeromotores en %sia: son máquinas de e#e vertical iguales a las denominadas panemonas de algunas islas griegas. ;ás o menos por la misma época, en Egipto se utili$aban molinos de e#e vertical para mole molerr gran grano o bomb bombea earr agua agua,, tamb tambié ién n en la $ona $ona de Si#i Si#ist stán án entr entre e los los aeromotores para el bombeo de agua que progresa con la invención de las multíparas en 3/+ por los americanos. ?ue en el año 3+* cuando Lord @elvin trató de asociar un generador eléctrico a un aeromotor para la producción de energía eléctrica.
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Aacia el año B*+ la energía eólica obtiene cierto é"ito, pues había trescientos constructores de estos aparatos. El estudio en los campos de la aerodinámica permitió alcan$ar enormes progresos en los aeromotores, esto hasta el año BC) desgraciadamente en ese año el precio del petróleo ba#ó, poniendo al Diloatt FeólicoF Fe ólicoF a precios inaccesibles. =odas =odas las máquinas fueron desmontadas vendidas al precio de chatarra. 2esde el año B/ ocurre el proceso inverso, impulsando programas de estudio reali reali$a $aci ción ón de aerog aerogene enera rador dores. es. La deman demanda da en países países indu indust stri rial ali$ i$ad ados os es mínima. !ero no obstante la demanda en países tercermundistas aumentó de nivel, esto por el obvio ba#o costo de producción e instalación de estos aparatos en comparación a las ganancias retribuidas.
1.2 %nfiguración de estacines eólicas 4n parque o central central eólica típico está formado por generadores generadores de gran potencia, con torres tubulares de 0+ m a C+ m de altura 6en la actualidad llegan a alcan$ar los *+ m7, rot rotores de unos B+m a *+m de diámetr etro 6hast asta 0+ m recient recienteme emente nte7. 7. Se separan separan lateral lateralmen mente te unos unos diámet diámetros ros para para reducir reducir las interferencias mutuas, formando filas. !ara evitar interferencias entre las estelas turb turbul ulen enta tass crea creada dass por por las las turb turbin inas as se pued puede e inst instal alar ar una una nuev nueva a fila fila de aerogeneradores como mínimo a unos 3 diámetros a sotavento, lo que permite que el me$clado turbulento del aire rellene el defecto de cantidad de movimiento en las estelas. El terreno ocupado por las cimentaciones, las vías de acceso el sistema sistema eléctrico son del 1, por lo que el restante BB1 puede ser dedicado a la agricultura normal. Esto supone una ocupación por DG producido del orden de H de una central térmica de carbón. La conf config igur urac ació ión n prec precis isa a depe depend nde e del del tipo tipo de terr terren eno o 6lla 6llano no,, ondu ondula lado do o accidentado7 accidentado7 sobre el que se asiente el parque de la variabilidad variabilidad direccional direccional del viento. Los terrenos llanos permiten disposiciones armoniosas mu e"tensas, lo que contribue a la estética del con#unto. Los terrenos accidentados permiten la instalación mu concentrada de aerogeneradores, dificultando el diseño de las instalaciones, la construcción de las mismas en general dan como resultado una estética menos aceptable. En este tipo de parques se llega a #untar las torres de dos o tres diámetros des rotor si la dirección del viento es dominante. !ara vientos variables de dirección es necesaria una separación maor que evite interferencias aerodinámicas mutuas. Las Las inst instal alac acio ione ness situ situada adass sobre sobre el mar mar tiene tienen n un gran gran inte interés rés por por la gran gran e"tensión disponible por la calidad del viento, sin embargo, a(n son mu costosas 6el doble que una en tierra7 quedan muchas incógnitas técnicas por despe#ar. Se estima que la tecnología de creación de una base para erigir la aeroturbina más apropiada es:
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9imentación por gravedad para profundidades de menos de 0 m.
;onopilota#e para profundidades hasta *0 m.
!ilota#e de trípode para profundidades hasta 0+ m.
!lataformas flotantes para profundidades superiores a 0+ m
1.# &i's de aergeneradres
=ipos de generadores eólicos sus aplicaciones
Generadores eólicos de eje horizontal Son los más utili$ados de maor potencia. Iásicamente se distinguen tres tipos:
(lins de )ient cn)encinales
Son los clasicos molinos usados antiguamente que en la actualidad se conservan como recuerdo histórico pero sin prestar servicio. 8er siguiente figura: 5
Esquema de un clásico molino de viento orientado por una eólica
Sus características principales son: •
Longitud de la palas: entre 0 0 m, su anchura del orden de un *+1 de su longitud. El material del que se construían es de madera.
•
8elocidad de rotación: variable entre + -+ rpm, en función de la longitud de las palas, correspondiendo los valores menores a las palas de maor longitud.
•
La orientación de la rueda de palas para situarla perpendicularmente al viento incidente se llevaba a cabo mediante un bra$o orientable o bien por medio de una pequeña eólica au"iliar que actuaba en forma de veleta de orientación.
Aergeneradres lents Es un generador con un elevado n(mero de palas. Jeneralmente su sistema de orientación es mediante un timónKveleta que hace que el plano de la hélice se sit(e siempre perpendicular a la dirección del viento. 8er la siguiente figura:
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Esquema de un aerogenerador lento 63 palas7 adecuado para el accionamiento directo de una bomba hidráulica para la e"tracción de agua de po$o Sus características fundamentales son: •
5(mero de palas elevado, entre * *-.
•
2iámetro entre + m, limitado por el elevado peso del rotor. Se adaptan mu bien a vientos de pequeña velocidad. Su arranque se produce a partir de una velocidad del viento entre * mHs.
•
!otencias pequeñas debido básicamente a dos ra$ones: usan vientos de ba#a velocidad 6entre / mHs7 tienen un diámetro limitado por el peso del rotor debido al elevado n(mero de palas.
•
Su campo de aplicación fundamentalmente se centra en las instalaciones de e"tracción bombeo de agua.
•
!resentan un valor elevado del coeficiente de par elevado para pequeños valores de velocidad específica.
Aergeneradres r*'ids En este tipo de aerogeneradores el n(mero de palas es pequeño. Su venta#a respecto a las eólicas lentas es que su potencia por unidad de peso es mucho maor, por lo que al ser más ligeros pueden construirse generadores de un radio 7
mucho maor, así como situar el bu#e o punto de giro central del rotor a alturas mucho maores por consiguiente aprovechar el efecto de aumento ed la velocidad del viento con la altura. En la actualidad se construen eólicas con diámetros de rotor que alcan$an los B+ m con una potencia nominal de ;G, lo que da una idea del área de barrido del rotor. Las características principales son:
•
educido n(mero de palas, entre -, aunque los más usados son de palas.
•
;áquinas más ligeras que las eólicas lentas, por lo tanto pueden construirse de maor tamaño.
•
equieren una velocidad del viento para su arranque maor que las eólicas lentas 6entre - 0 mHs7. !oseen un par de arranque menor.
•
%lcan$an su potencia nominal para velocidades del viento entre * 0 mHs. % partir de velocidades del orden de *0 a + mHs se produce la parada del rotor para evitar daños sobre la máquina.
•
En los aerogeneradores rápidos, el valor má"imo del coeficiente de potencia se sit(a en el entorno de 9pM+,-.
Se utili$an para la generación de energía eléctrica, pudiendo ser en sistemas aislados o conectados a la red. Los generadores utili$ados en sistemas aislados generalmente son más pequeños 6de a 0+ @G7 que los que se conectan a la red eléctrica 6de *0+ a +++ @G7. 8er siguientes figuras:
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%erogenerador de e#e hori$ontal tripala Número de palas
2iferentes tipos de rotores de aerogeneradores de e#e hori$ontal Rotores monopala: !ermite una maor velocidad de rotación, reducción de masas
costes de material, en las palas, en la ca#a multiplicadora en el generador. =ienen el inconveniente de necesitar un equilibrado mu preciso con un contrapeso de compensación, e"iste un maor riesgo de desequilibrio aerodinámico vibraciones con la aparición de cargas de fatiga. =ambién aumenta la generación de ruidos. 2el orden del doble que un rotor tripala. Rotores bipala: educe el coste de material equipos respecto del rotor tripala, pero presenta también la desventa#a respecto a éste ultimo de un maor nivel de esfuer$os dinámicos. 2e forma similar a rotor monopala se producen esfuer$os mecánicos originados por la variación del perfil de la velocidad del viento con la altura. %demás estos rotores presentan respecto a los tripalas un maor nivel de vibraciones de ruido. 9
Rotores tripala: presentan como principal venta#a la de un giro más suave
uniforme debido a las propiedades de su momento de inercia, por lo que se mnimini$a la inducción de esfuer$os sobre la estructura. %demás gira a menor velocidad que los rotores mono bipala, disminuéndose los esfuer$os de la fuer$a centrífuga, el nivel de vibraciones la producción de ruido. En la actualidad el rotor tripala es la configuración más usada en turbinas eólicas rápidas dedicadas a la generación de electricidad.
Disposición del rotor con relación al viento
=ipos de disposición de un rotor de un aerogenerador de e#e hori$ontal con relación al viento Rotor a barlovento: el viento incide primero sobre el palmo del rotor
posteriormente sobre la torre de sustentación, con lo cual se minimi$a el efecto de sombra sobre el rotor, la paracición de vibraciones esfuer$os de fatiga sobre las palas del rotor. Este tipo de disposición requiere un rotor más rígido más ale#ado de la torre a fin de evitar interferencias entre lo álabes del rotor la torre debido a la fle"ión de los mismo por el esfuer$o de empu#e del viento. Este rotor, a diferencia del rotor a sotavento, necesita un sistema de orientación que mantenga siempre el plano de giro de rotor orientado perpendicularmente a la dirección del viento. Rotor a sotavento: 5o requieren ning(n tipo de dispositivo de orientación. Su desventa#a radica en los efectos de sombra de la góndola de la torre sobre las palas del rotor con la consiguiente pérdida de potencia aumento de tensiones de 10
fatiga, además, se pueden producir en rollos en el cable conductor que transporta la energía producida por el generador situado en la góndola que gira libremente.
+enta,a de ls aergeneradres r*'ids frente a ls lents
•
Son mucho más ligeros económicos a igualdad de diámetros, por lo cual se construen con grandes diámetros 6-+ a B+ m7 con rotores situados a elevadas alturas 6hasta unos ++ m7. 2isponiéndose de generadores eólicos de gran potencia 6+,0 a ;G7. &a que se pueden construir rotores que barran áreas elevadas beneficiarse con el aumento de velocidad del viento con la altura.
•
•
esisten me#or los esfuer$os provocados por las ráfagas de viento. %l tener menor n(mero de palas es más fácil incorporar mecanismos que permitan el giro de las mismas alrededor de la torre para lograr regular la potencia de generación o proteger el rotor en caso de vientos mu fuertes.
•
El empu#e a"ial debido a la acción del viento sobre el rotor parado es menor en las eólicas rápidas que cuando está girando, no sucediendo esto en las lentas.
•
%l girar más rápidas, el tamaño coste de la ca#a multiplicadora que acciona el generador eléctrico se reduce. En los grandes aerogeneradores la velocidad de rotación está en el rango de 0 a 0+ rpm siendo la velocidad de la punta de la pala no maor a C0 N /0 mHs.
?rente a las venta#as citadas, la eólicas rápidas tienen el inconveniente de presentar un par o momento de arranque mucho menor que las eólicas lentas. En la siguiente figura se muestra el aspecto general de un gran aerogenerador tripala.
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Esquema de un aerogenerador de gran potencia
Jenerador Eólico modelo 8B+ del fabricante 8estas de ;G de potencia, una altura má"ima del e#e del rotor de +0 metros un diametro del rotor de B+ metros. En este video se pueden apreciar los componentes las principales características de este generador.
Generadores eólicos de eje vertical
Se han reali$ado numerosos prototipos e"periencias con diferentes eólicas de e#e vertical, pero por ra$ones técnicas económicas su implantación en la práctica es mu limitada, por lo que la maoría de generadores eólicos son de e#e hori$ontal. El rotor de las eólicas de e#e vertical básicamente suele ser de los siguientes tipos: •
otor de arrastre diferencial, sin o con pantalla 6Savonius7.
•
otor de variación cíclica de incidencia 62arrieus7.
Eólica de rtr de arrastre diferencial- rtr Sa)nius Este rotor se basa en la diferente fuer$a aerodinámica que e#erce un flu#o de aire 12
sobre ob#etos de distinta forma. Si se concibe un rotor formado por un con#unto de álabes en forma de ca$oletas semiesféricas o semicilíndricas colocadas en la forma que se indica en la siguiente figura, la acción del viento origina fuer$as distintas en las partes cóncava conve"a de estas ca$oletas, lo que da lugar a un par que provoca el giro del rotor. 2ebido a que la fuer$a que origina el par es la diferencia entre los álabes o paletas del rotor, este tipo de máquina recibe el nombre de arrastre diferencial.
%cción del viento sobre un rotor de arrastre diferencial
Generadr de e,e )ertical cn deflectres ue im'iden la fuerza de cntra'resión del )ient s"re ls ala"es del rtr
!ara eliminar el efecto nocivo de la fuer$a ?Oque act(a sobre el álabe o ca$oleta inferior 6que se mueve en sentido opuesto a la velocidad del viento7, se puede incorporar al rotor una pantalla orientable por medio de un timónKveleta, #unto con un sistema de deflectores adecuado que facilite la canali$ación del flu#o de aire sobre las palas activas, seg(n se muestra en la siguiente figura. La me#ora que e"perimenta el equipo cuando se apantalla el rotor es importante.
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otor de arrastre diferencial provisto con una pantalla giratoria que impide la acción del viento sobre los álabes situados en la parte inferior de la figura !rototipo de un generador eólico de e#e vertical con placas deflectoras en el frente del aerogenerador para direccionar el aire hacia las paletas de empu#e de la turbina evitar la fuer$a de contrapresión sobre el resto de las paletas del generador.
Eólica de rtr de )ariación c!clica de incidencia- rtr Darrieus El rotor está formado por un con#unto de álabes, unidos entre si, que pueden girar alrededor de un e#e vertical cua sección recta tiene forma de un perfil aerodinámico. 8er siguiente figura.
%erogeneradores de e#e vertical Las palas o álabes están arqueadas con una forma parecida a la que forma una cuerda que gira alrededor de un e#e. Los álabes son biconve"os la superficie descripta por los mismos puede tener diversas formas: esférica, parabólica, cilíndrica, etc. El giro del rotor está provocado por la acción aerodinámica del 14
viento sobre los álabes, que origina fuer$as aerodinámicas que dan lugar al par de rotación. El par de arranque de un rotor 2arrieus es mu pequeño, en la práctica requiere un arranque au"iliar. En algunos prototipos se combina un rotor Savonius para facilitar el arranque del primero. La principal venta#a que representa el rotor Savonius frente al 2arrieus es la sencille$ de su construcción me#ores valores para el par de arranque a ba#as velocidades. !uede decirse que el rotor Savonius sólo es (til para pequeñas potencias aplicaciones mu limitadas como el bombeo de agua de po$os.
%m'aración entre generadres de e,e /rizntal 0 de e,e )ertical
Las principales venta#as de las eólicas de e#e hori$ontal frente a las de e#e vertical son: •
Los de e#e hori$ontal tienen un coeficiente de potencia 69p7 maor.
•
Las eólicas rápidas de e#e hori$ontal presentan una velocidad de giro maor que las de e#e vertical, por lo que son más adecuadas para el accionamiento de generadores eléctricos que giran a +++ o 0++ rpm.
•
Las eólicas de e#e hori$ontal permiten barrer maores superficies que las de e#e vertical, por lo que alcan$an potencias muchos maores.
•
Las de e#e hori$ontal aprovechan el efecto beneficioso del aumento de la velocidad del viento con la altura respecto del suelo. La configuración de las de e#e vertical impide alcan$ar alturas elevadas por lo tanto no pueden aprovechar este efecto.
En cambio, las eólicas de e#e vertical presentan las siguientes venta#as frente a las de e#e hori$ontal: 15
•
2ada su simetría vertical, no necesitan sistemas de orientación para alinear el e#e de la turbina con la dirección del viento, como ocurre en las de e#e hori$ontal.
•
Su mantenimiento es más sencillo, dada su poca altura con respecto al suelo.
•
9uando la eólica traba#a en una aplicación que requiere velocidad constante, no es necesario incorporar ning(n mecanismo de cambio de paso.
•
Las eólicas de e#e hori$ontal son las más usadas en la práctica. Las eólicas de e#e vertical se utili$an básicamente para investigación
1.#.1(*uinas cn rtr a "arl)ent Las máguinas con rotor a barlovento tienen el rotor de cara al viento. La principal venta#a de los diseños corriente arriba es que se evita el abrigo del viento tras la torre. 9on mucho, la gran maoría de los aerogeneradores tienen este diseño. !or otro lado, también ha algo de abrigo enfrente de la torre, es decir, el viento empie$a a desviarse de la torre antes de alcan$arla, incluso si la torre es redonda lisa. %sí pues, cada ve$ que el rotor pasa por la torre, la potencia del aerogenerador cae ligeramente. El principal inconveniente de los diseños corriente arriba es que el rotor necesita ser bastante infle"ible, estar situado a una cierta distancia de la torre 6como muchos fabricantes han averiguado de su coste7. %demás, una máquina corriente arriba necesita un mecanismo de orientación para mantener el rotor de cara al viento
1.#.2(auinas cn rtr sta)ent
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Las máquinas con rotor a sotavento tienen el rotor situado en la cara a sotavento de la torre. La venta#a teórica que tienen es que pueden ser construidos sin un mecanismo de orientación, si el rotor la góndola tienen un diseño apropiado que hace que la góndola siga al viento pasivamente. Sin embargo, en grandes máquinas ésta es una venta#a algo dudosa, pues se necesitan cables para conducir la corriente fuera del generador. P9ómo detorsiona los cables si la máquina ha estado orientándose de forma pasiva en la misma dirección durante un largo periodo de tiempo, si no dispone de un mecanismo de orientaciónQ 6Los anillos ro$antes o los colectores mecánicos no son mu buena idea si se está traba#ando con corrientes de +++ amperios7. 4na venta#a más importante es que el rotor puede hacerse más fle"ible. Esto supone una venta#a tanto en cuestión de peso como de dinámica estructural de la máquina, es decir, las palas se curvarán a altas velocidades del viento, con lo que le quitarán parte de la carga a la torre. El inconveniente principal es la fluctuación de la potencia eólica, debida al paso del rotor a través del abrigo de la torre. Esto puede crear más cargas de fatiga en la turbina que con un diseño corriente arriba.
1.#.# Aergeneradr de e,e /rizntal Son aquellos en los que el e#e de rotación del equipo se encuentra paralelo al suelo. Esta es la tecnología que se ha impuesto, por su eficiencia confiabilidad la capacidad de adaptarse a diferentes potencias. Las partes principales de un aerogenerador de e#e hori$ontal son: •
otor: las palas del rotor, construidas principalmente con materiales compuestos, se diseñan para transformar la energía cinética del viento en un momento torsor en el e#e del equipo. Los rotores modernos pueden llegar a tener un diámetro de -* a 3+ metros producir potencias equivalentes de varios ;G. La velocidad de rotación está normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuo límite actual se establece por criterios ac(sticos.
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•
•
Jóndola o nacelle: sirve de alo#amiento para los elementos mecánicos eléctricos 6multiplicadora, generador, armarios de control, etc.7 del aerogenerador. 9a#a de engrana#es o multiplicadora: puede estar presente o no dependiendo del modelo. =ransforman la ba#a velocidad del e#e del rotor en alta velocidad de rotación en el e#e del generador eléctrico. Jenerador: e"isten diferente tipos dependiendo del diseño del aerogenerador. !ueden ser síncronos o asíncronos, #aula de ardilla o doblemente alimentados, con e"citación o con imanes permanentes. Lo podemos definir como parte del generador que convierte la energía en electricidad. La torre: sit(a el generador a una maor altura, donde los vientos son de maor intensidad para permitir el giro de las palas transmite las cargas del equipo al suelo. Sistema de control: se hace cargo del funcionamiento seguro eficiente del equipo, controla la orientación de la góndola, la posición de las palas la potencia total entregada por el equipo.
=odos los aerogeneradores de e#e hori$ontal tienen su e#e de rotación principal en la parte superior de la torre, que tiene que orientarse hacia el viento de alguna manera. Los aerogeneradores pequeños se orientan mediante una veleta, mientras que los más grandes utili$an un sensor de dirección se orientan por servomotores o motorreductores. E"isten * tecnologías de generadores eléctricos: multiKpolos de imanes permanentes. Los primeros funcionan a velocidades del orden de +++ rpm. 2ado que la velocidad de rotación de las aspas es ba#a 6* rpm7, requieren el uso de una ca#a reductora o multiplicadora para conseguir una velocidad de rotación adecuada. Los de imanes permanentes no requieren multiplicadora. En la maoría de los casos la velocidad de giro del generador está relacionada con la frecuencia de la red eléctrica a la que se vierte la energía generada 60+ o C+ A$7
1.#.#.1 %n el e,e 'aralel a la dirección del )ient 18
Los aerogeneradores de e#e hori$ontal con el e#e paralelo a la dirección del viento, en la actualidad son las máquinas más difundidas con maores rendimientos que las otras e"istentes, algo mu importante en el momento de comen$ar un diseño. En este grupo se incluen aquellas que tienen , *, o - palas, además de las típicas multipalas para el bombeo de agua. Entre estas máquinas se distinguen aquellas que tienen las palas situadas de Fcara al vientoF aquellas que las tienen de Fespalda al vientoF. Los aerogeneradores, generalmente van provistos de rotores bipala o tripala de cara al viento.
1.#.#.2 %n el e,e 'er'endicular a la dirección del )ient Los aeromotores de e#e vertical son presumiblemente, las primeras máquinas que se utili$aron para la captación de energía eólica, son conceptualmente más sencillas que las de e#e hori$ontal) no necesitan de ning(n sistema de orientación, lo que constitue una venta#a constructiva nada despreciable. En funcionamiento, las palas, los rodamientos los e#es, no están sometidos a esfuer$os importantes por cambios de orientación, son de fácil construcción) sin embargo tienen la gran desventa#a de poseer un rendimiento mediocre 6el rotor Savonius alcan$a un *+1 del límite de Iet$7., es por ello que no se e"perimentó un gran desarrollo en estos equipos. E"isten grandes familias de aeromotores de e#e vertical: %eromotores derivados del rotor de Savonius: Esencialmente utili$an el arrastre diferencial creado por las palas que pueden ser de diversas formas. El par de arrastre es elevado, pero la velocidad má"ima es claramente inferior a la de los rotores de e#e hori$ontal. %eromotores derivados del rotor 2arrieus.6patentado en B7: Emplea la sustentación de las palas están caracteri$ados por débil par de arranque velocidad de rotación elevada que permite la recuperación de una gran potencia. !ara me#orar el par de arranque se pueden acoplar otro tipo de rotores haciéndolo mi"to, por e#emplo: 6SavoniusK2arrieus7. Lo cual afectara seguramente otras propiedades. Siendo necesario buscar las condiciones óptimas. Estas máquinas de e#e perpendicular son susceptibles de competir con los aerogeneradores rápidos, bipalas tripalas de e#e hori$ontal) siendo en la actualidad ob#eto de estudio desarrollo
1.#.#.# mn'ala "i'ala 0 tri'ala )enta,as e incn)enientes
De una 'ala (n'ala 19
Los aerogeneradores ;onopala requieren una maor velocidad de giro para producir la misma energía de salida. Esto supone un inconveniente, a que introduce en el e#e unos esfuer$os mu variables que acorta la vida de la instalación, además de crear desventa#as en lo que respecta al ruido como al aspecto visual. %l tener una sola pala, necesitan de un contrapeso en el lado del bu#e opuesto a la pala que equilibre el rotor. >bviamente, esto anula el ahorro de peso comparado con un diseño bipala.
De ds 'alas 3i'ala
Los diseños de Iipalas tienen la venta#a de ahorro en cuanto a coste peso, pero, al igual que los monopala, necesitan una velocidad de giro más alta para producir la misma cantidad de energía de salida. Loa aerogeneradores bipala requieren de un diseño más comple#o, con un rotor basculante 6bu#e oscilante7, que tiene que ser capa$ de inclinarse para evitar fuertes sacudidas en la turbina cada ve$ que una de las palas pasa por la torre. Los ingenieros de los aerogeneradores actuales evitan construir grandes máquinas con un n(mero par de palas, pues pueden dar problemas de estabilidad de la turbina en una estructura rígida.
2e tres palas 6=ripala7
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La maoría de los aerogeneradores modernos son =ripala, con el rotor a barlovento, usando motores eléctricos para sus mecanismos de orientación, a este diseño se le llama el clásico Rconcepto danés. La gran maoría de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseño de Rconcepto danés, el motivo es la fricción con el aire: con tres palas rinden un -1 más que con dos con * palas rinden un +1 más que con una. >tra de las características es el uso de un generador asíncrono.
1.#.#.4 %ntrl de 'tencia Los aerogeneradores están diseñados para producir energía eléctrica de la forma más barata posible. %sí pues, están generalmente diseñados para rendir al má"imo a velocidades alrededor de 0 mHs. Es me#or no diseñar aerogeneradores que ma"imicen su rendimiento a vientos más fuertes, a que los vientos tan fuertes no son comunes. En el caso de vientos más fuertes es necesario gastar parte del e"ceso de la energía del viento para evitar daños en el aerogenerador. En consecuencia, todos los aerogeneradores están diseñados con alg(n tipo de control de potencia. Aa dos formas de hacerlo con seguridad en los modernos aerogeneradores.
1.#.4 Aergeneradr de e,e )ertical
Son aquellos en los que el e#e de rotación se encuentra perpendicular al suelo. =ambién se denominan 8%G= 6del inglés, Vertical Axis Wind urbine 7, en contraposición a los de e#e hori$ontal o A%G=. Sus venta#as son: •
Se pueden situar más cerca unos de otros, debido a que no producen el efecto de frenado de aire propio de los A%G=, por lo que no ocupan tanta superficie.
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•
•
•
•
5o necesitan un mecanismo de orientación respecto al viento, puesto que sus palas son omnidireccionales. Se pueden colocar más cerca del suelo, debido a que son capaces de funcionar con una menor velocidad del viento, por lo que las tareas de mantenimiento son más sencillas. ;ucho más silenciosos que los A%G=. ;ucho más recomendables para instalaciones pequeñas 6de menos de + DG7 debido a la facilidad de instalación, la disminución del ruido el menor tamaño.
Sus desventa#as son: •
•
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%l estar cerca del suelo la velocidad del viento es ba#a no se aprovechan las corrientes de aire de maor altura. Ia#a eficiencia. ;aor gasto en materiales por metro cuadrado de superficie ocupada que las turbinas de e#e hori$ontal. 5o son de arranque automático, requieren cone"ión a la red para poder arrancar utili$ando el generador como motor =ienen menor estabilidad maores problemas de fiabilidad que los A%G=. Las palas del rotor tienen tendencia a doblarse o romperse con fuertes vientos.
1.#.4.1 Anemómetrs de esferas 0 rtres de ti' sa)nius Las mediciones de las velocidades del viento se reali$an normalmente usando un anemómetro de ca$oletas, similar al del dibu#o de la i$quierda. El anemómetro de ca$oletas tiene un e#e vertical tres ca$oletas que capturan el viento. El n(mero de revoluciones por segundo son registradas electrónicamente. 5ormalmente, el anemómetro está provisto de una veleta para detectar la dirección del viento. En lugar de ca$oletas el anemómetro puede estar equipado con hélices, aunque no es lo habitual. >tros tipos de anemómetros incluen 22
ultrasonidos o anemómetros provistos de láser que detectan el desfase del sonido o la lu$ coherente refle#ada por las moléculas de aire. Los anemómetros de hilo electrocalentado detectan la velocidad del viento mediante pequeñas diferencias de temperatura entre los cables situados en el viento en la sombra del viento 6cara a sotavento7. La venta#a de los anemómetros no mecánicos es que son menos sensibles a la formación de hielo. Sin embargo en la práctica los anemómetros de ca$oletas son ampliamente utili$ados, modelos especiales con e#es ca$oletas eléctricamente calentados pueden ser usados en las $onas árticas. E"iste gran diversidad de anemómetros. Los de em'u,e están formados por una esfera hueca ligera 62alo$7 o una pala 6Gild7, cua posición respecto a un punto de suspensión varía con la fuer$a del viento, lo cual se mide en un cuadrante. El anemómetro de rtación está dotado de ca$oletas 6obinson7 o hélices unidas a un e#e central cuo giro, proporcional a la velocidad del viento, es registrado convenientemente) en los anemómetros magnéticos, dicho giro activa un diminuto generador eléctrico que facilita una medida precisa. El anemómetro de cm'resión se basa en el tubo de !itot 6un tubo con forma de L, con un e"tremo abierto hacia la corriente de aire el otro conectado a un dispositivo medidor de presión7, está formado por dos pequeños tubos, uno de ellos con orificio frontal 6que mide la presión dinámica7 lateral 6que mide la presión estática7, el otro sólo con un orificio lateral. La diferencia entre las presiones medidas permite determinar la velocidad del viento.
Los rtres Sa)nius son un tipo de turbina eólica de e#e vertical usadas para convertir el poder del viento en torsión sobre un e#e rotatorio. ?ueron inventadas por el ingeniero finlandés Sigurd T. Savonius en el año B**. Las Savonius son una de las turbinas más simples. Esta diferencia causa que la turbina Savonius gire. 9omo es un artefacto de arento, soportan me#or las turbulencias pueden empe$ar a girar con vientos de ba#a velocidad. Es una de las turbinas más económicas más fáciles de usar .
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?uncionamiento de una turbina Savonius. %unque originalmente la turbina tenía un espaciado entre las palas que correspondía a H del diámetro de una pala, lo más com(n ho es utili$ar un espaciado de HC de pala. En otras palabras, la pala se superpone cubriendo HC del diámetro de la otra 6distancia e en la figura de la i$quierda7. La relación diámetro altura es debatida. %lgunos recomiendan que la altura sea el doble del diámetro 6total7, otros señalan que la eficiencia es maor a ra$ones :- o :C
1.#.4.2 Aergeneradr ti' darrieus %erogenerador con rotor 2arrieus: !atentado por J.T.;. 2arrieus en B, es el modelo de los aerogeneradores de e#e vertical de más é"ito comercial. 9onsiste en un e#e vertical asentado sobre el rotor, con dos o mas finas palas en curva unidas al e#e por los dos e"tremos, el diseño de las palas es simétrico similar a las alas de un avión, el modelo de curva utili$ado para la unión de las palas entre los e"tremos del rotor es el de =roposDien, aunque puede utili$arse también catenarias. Evita la necesidad de diseños comple#os en las palas como los necesarios en los generadores de e#e hori$ontal, permite maores velocidades que las del rotor Savonius, aunque sin alcan$ar las generadas por los modelos de e#e hori$ontal, pero necesita de un sistema e"terno de arranque.
1.4 %m'nentes de ls aergeneradres 24
1.4.1 Las 'alas 5ormalmente las turbinas modernas están formadas por dos o tres palas, siendo lo normal el uso de tres por la maor suavidad en el giro que proporciona. Las palas están fabricadas de un material compuesto de matri$ polimérica 6poliéster7 con un refuer$o de fibras de vidrio o carbono para dar maor resistencia. !ueden medir longitudes en el rango desde metro hasta ++ metros van conectados al bu#e del rotor. 2entro del bu#e ha ciertos elementos mecánicos que permiten variar el ángulo de incidencia 6o pitch7 de las palas. La maoría de los rotores en la actualidad son hori$ontales pueden tener articulaciones, la más habitual es la de cambio de paso. En la maoría de los casos el rotor está situado a barlovento de la torre, con el ob#eto de reducir las cargas cíclicas sobre las aspas que aparecen si se situara a sotavento de ella, pues al pasar una pala por detrás de la estela de la torre , la velocidad incidente está mu alterada. 2ebido a este fenómeno, las torres de aeroturbinas con rotores a sotavento son de celosía metálica, por su maor transparencia al viento.
1.4.1.1 Lngitud El diámetro de las palas está en función de la potencia deseada. La determinación de éste, fi#a también la frecuencia de rotación má"ima, que la hélice no deberá pasar para evitar las tensiones en la punta de las palas, debidas a la fuer$a centrífuga. Es esencial tener en cuenta la fatiga de las palas los riesgos de vibraciones, sobre todo para las palas mu largas.
Ý en m
1
2
5
16
26
56
-+ n ma7 *+++ +++ -++ *++ ++ r'm. Organigrama 'ara la determinación de ls elements de aermtr. Las velocidades de giro que se dan en la tabla definen la envolvente representada en el siguiente gráfico.
1.4.1.2 El 'erfil Se elige función del par deseado, cada perfil proporciona, para el ángulo de ataque óptimo un par función de 9$ de 9", 62espreciable ante 9$ para el ángulo de ataque óptimo7. 9uando a se ha elegido el perfil la velocidad de giro para la velocidad nominal del viento, se determina el cala#e. !ara la maoría de aeromotores de mediana pequeña potencia las palas no están alabeadas, es decir, el ángulo de ataque sólo es óptimo para una sección de la pala, situada entre la mitad los dos tercios. Sin embargo, la maoría de los aeromotores de más de ++ @G tienen las palas alabeadas. 25
Las características de los perfiles se determinan en el t(nel aerodinámico. Estos datos son constantes estudiadas en especial para la aviación militar comercial. % 9ada perfil se le asocia generalmente el nombre del laboratorio un n(mero de referencia.
1.4.1.# Anc/ura La anchura de las palas no interviene en la potencia del aeromotor, que esta en función de la superficie barrida. La anchura interviene en el par de arranque 6que son dos fuer$as de igual magnitud sentido opuesto, cuas líneas de acción son paralelas pero no coinciden. Estas no producen traslación, el (nico efecto del par es la rotación7 que será maor cuanto más ancha sea la pala, pero para obtener velocidades de rotación elevadas se prefieren las palas finas ligeras. Entonces el resultado será s un compromiso entre estos dos factores.
1.4.1.4 numer de 'alas Aeromotor con par de arran!ue elevado" Son las hélices multipalas conocidas por
todo el mundo para el bombeo de agua cuo para de arranque es proporcional al n(mero de palas al diámetro. Su rendimiento respecto al límite de Iet$ es pequeño, puesto que la velocidad de la punta de la pala está limitada, su diámetro má"imo es de 3 metros. Aeromotores denominados #r$pidos#" Jeneralmente son bipalas o tripalas) el n(mero de palas no tiene influencia en la potencia proporcionada, sino que es función de la superficie barrida por el rotor. La máquinas que se construían antes eran generalmente tripalas, pero en la actualidad suelen ser bipalas, aunque sean de pequeña o gran potencia
1.4.2 Sistemas de 'rtección 9ualquiera que sea el tipo de aeromotor es necesario, para evitar su destrucción cuando los vientos son demasiados fuertes, que esté provisto de un sistema que permta disminuir las tensiones mecánicas en la hélice.
1.4.2.1 frenado manual. Es el método más simple para proteger la hélice de la destrucción. 9uando el viento alcan$a una cierta fuer$a un operador detiene el rotor con auda de un freno, poniéndolo paralelo al viento 6en bandera7 o modificando el ángulo de cala#e de las palas para obtener un par motor nulo 6este es el sistema más efica$7. En nuestro caso aplicaremos un sistema de frenado utili$ado en el tren trasero de los automóviles 8olDsagen, este sistema conocido traba#a por medios 26
mecánicos, como será de conocimiento este sistema es de freno es de tambor aplicado sobre balatas.
1.4.2.2. Frenado automático" Los medios citados pueden automati$arse mediante la acción del viento sobre un FpalaF de mando. La pala ane"a está paralela es solidaria al plano de rotación de la hélice. 9uando la presión del viento sobre la pala alcan$a un cierto valor, acciona mecánicamente una leva para poner en bandera al rotor o frenar el e#e de giro 6 la presión del viento es proporcional al cuadrado de la velocidad 8 a la superficie de las palas S) ! M @S8Q) @ U +,B7. El dispositivo precedente puede asociarse a un resorte que ponga en funcionamiento 6posición inicial7, al aeromotor cuando la velocidad del viento esté por deba#o de la velocidad má"ima que puede aguantar el aeromotor.
1.4.# sistemas de regulación Se revisará rápidamente algunos tipos de regulación. %l ser estos altamente costosos no se reali$arán en la práctica de instalación en $onas rurales. K egulador patentado, utili$ado por el aeromotor G<59A%JE. K Las palas principales están fi#as 6cala#e constante7. K La regulación dispone de dos paletas, ! !*, articuladas en > >* , sobre un soporte perpendicular al e#e de las palas principales. Estas paletas tienen la parte delantera un poco más larga pesada que el posterior. Se mantienen en la posición inicial mediante los tensores t t* los muelles a#ustados " "*. Aasta una velocidad de giro determinada f+ 6es decir, la velocidad del viento correspondiente a 8+7, las paletas están en posición concéntrica. %ctuando como un volante de inercia, tienden a mantener estable la velocidad de giro cuando la velocidad del viento varía durante breves momentos 6pequeñas ráfagas7. Las palas que tienen un cala#e fi#o aumentan su velocidad de giro con la del viento) cuando esta velocidad sobrepasa 8+ la velocidad de giro sobrepasa f+ la fuer$a centrífuga la presión del aire sobre las paletas son preponderantes. Las paletas ! !* giran alrededor de > >* toman la posición correspondiente al frenado.
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1.4.#.1 Utilización de la trre a"ati"le cm reguladr
Se tratara de hacer una innovación más práctica para frenar o desactivar el giro del aeromotor. %provechando el movimiento de la torre de tipo basculante, se desactivará el aeromotor por causas de viento fuerte, clima desfavorable, cese de actividad o parada de urgencia. Este sistema es una variante del frenado automático visto anteriormente. 9on una aplicación menos complicada.
1.4 sistemas de rientacin Los aeromotores de e#e hori$ontal necesitan una orientación permanente de la máquina en una dirección paralela a la del viento para disminuir los esfuer$os las pérdidas de potencia. 9aracterísticas del aerogenerador proectado. E"isten muchos dispositivos de orientación, elegidos generalmente de acuerdo con la potencia del aeromotor. Son parte importante del buen rendimiento de la instalación eólica. Los aeromotores de e#e hori$ontal están sometidos a fuertes esfuer$os durante los camb cambio ioss brusc bruscos os de orie orient ntaci ación ón,, origi origina nados dos por los los camb cambio ioss de velo veloci cidad dad direcci dirección ón del viento viento.. Estos Estos esfuer$ esfuer$os os son maores maores cuanto maores maores sean sean las aceleraciones que se producen en un cambio de dirección. La componente perpendicular al e#e de rotación de la hélice es proporcional al cuadrado de la velocidad de giro alrededor del e#e principal 6 en radHs7. Los cambios de dirección las variaciones de frecuencia de rotación provocada por las ráfagas son el origen de vibraciones nefastas para el buen funcionamiento del aeromotor. El sistema de orientación orientación deberá cumplir con la condición necesaria de mantener mantener el rotor cara al viento sin provocar grandes cambios cambios de dirección del rotor cuando se produ$can cambios rápidos de la dirección del viento. !ara los aeromotores de pequeña mediana potencia, cua hélice está situada cara al viento, el dispositivo dispositivo de orientación orientación es una cola, constituid constituida a generalmente generalmente por una superficie plana 6placa metálica o de madera7 situada en el e"tremo de un soporte unido al cuerpo del aeromotor. La condición antes descrita se obtiene por la determinación de la superficie de la cola sobre la cual se e#erce el par de giro. Esta superficie se determina e"perimentalmente situando la máquina prototipo en un lugar donde la corriente de aire está perturbada buscando la superficie óptima de la cola. 9uando la cola se sit(a en el e#e aeromotor, la longitud de soporte #uega una función importante, puesto que cuanto más largo sea menos se situará en la $ona de turbulencias del aeromotor, originadas por el giro de la hélice. 28
!ara evitar que la cola este situada en la $ona de turbulencias debidas a la rotación de la hélice 6una distancia igual a C o + veces el diámetro.
UN8DAD 2 %AL%ULO AEROGENERADOR
DE
LA
ENERG8A
9RODU%8DA
9O R
UN
2.1 9tencia e7tra!"le del )ient limite de "etz =eóricamente, =eóricamente, la energía má"ima e"traíble del viento es independiente del n(mero de palas viene determinada por la Le de Iet$. Esta le se basa en la idea de que un aerogenerador ralenti$a el viento al pasar por el rotor hasta *H de su velocidad inicial. Esto significa que no es posible aprovechar toda la energía cinética del viento. La Le de Iet$ postula: RSólo puede convertirse menos de CH*/ 6apro"imadamente el 0B17 de la energía cinética del viento en mecánica usando un aerogenerador. En la práctica la potencia má"ima e"traíble oscila entre el -+1 el 0+1. La potencia generada por un aerogenerador depende en gran medida de la velocidad del viento, pero también del área barrida por las palas por lo que actualmente la tendencia es hacer los aerogeneradores cada ve$ más altos 6a más altura maor velocidad del viento7 con palas más largas 6maor superficie de barrido de las palas7. En la siguiente figura podemos ver gráficamente la evolución de los aerogeneradores:
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especto al n(mero de palas ha que destacar que los rotores tripala han demostrado su eficacia eficiencia, se han convertido en los más utili$ados en todo el mundo: N 4n maor n(mero de palas permite obtener sistemas más equilibrados estables. %sí, estables. %sí, un rotor de tres palas es mucho más estable que uno bipala o monopala, es decir, presenta un equilibrio mucho me#or de fuer$as giroscópicas sufre menos vibraciones. N 9uanto menor es e s el n(mero de palas maor ma or es la velocidad de giro, por lo que, en una situación de fuertes vientos, es más conveniente un aerogenerador tripala que uno bipala a fin de evitar que la velocidad de giro alcan$ada por el rotor sea demasiado elevada. 4na velocidad de rotación mu alta puede generar problemas de ruid ruido o más más desg desgas aste te en algu algunas nas pie$ pie$as as del del aero aerogen genera erador dor,, adem además ás de aumentar la probabilidad de daños a la avifauna.
2.2 %ur)a de 'tencia de un aergeneradr La curva de potencia de un aerogenerador es un gráfico que indica cuál será la potencia eléctrica disponible en el aerogenerador a diferentes velocidades del viento.
El gráfico muestra una curva de potencia de un típico aerogenerador danés de C++ DG.
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Las curvas de potencia se obtienen a partir de medidas reali$adas en campo, dónd dónde e un ane anemóm mómetr etro o es situ situad ado o sobr sobre e un mást mástilil rela relatitiva vame ment nte e cerc cerca a del del aerogenerador 6no sobre el mismo aerogenerador ni demasiado cerca de él, pues el rotor del aerogenerador puede crear turbulencia, hacer que la medida de la velocidad del viento sea poco fiable7. Si la velocidad del viento no está variando demasiado rápidamente, pueden usarse las medidas de la velocidad del viento reali$adas con el anemómetro leer la potencia potencia eléctrica eléctrica disponible directamente directamente del aerogenerador aerogenerador,, dibu#ar dibu#ar los dos tipos de valores con#untamente en un gráfico similar al de la i$quierda.
8ncertidum"re en medicines de cur)as de 'tencia En realidad, en el gráfico puede verse una nube de puntos esparcidos alrededor de la línea a$ul, no una curva bien definida. El motivo es que en la práctica la velocidad del viento siempre fluct(a, no se puede medir e"actamente la columna de viento que pasa a través del rotor del aerogenerador 6colocar un anemómetro #usto enfrente del aerogenerador no es una solución factible, a que el aerogenerador también proectará un FabrigoF que frenará el viento enfrente de él7. %sí pues, en la práctica se debe tomar un promedio de las diferentes medidas para cada velocidad del viento, dibu#ar el gráfico con esos promedios. %demás, es difícil hacer medidas e"actas de la propia velocidad del viento. Si se tiene un por ciento de error en las mediciones de la velocidad del viento, entonces la energía del viento puede ser un B por ciento superior o inferior 6recuerde que el contenido energético varía con la tercera potencia de la velocidad del viento7. En cons consecu ecuen enci cia, a, pueden pueden e"ist e"istir ir error errores es hast hasta a de +1 incl inclus uso o en curva curvass certificadas.
+erificación +erificación de las cur)as de 'tencia Las curvas de potencia están basadas en medidas reali$adas en $onas de ba#a intensidad de turbulencias, turbulencias, con el viento viniendo directamente hacia la parte dela delant ntera era de la turbi turbina na.. La turb turbul ulen enci cia a loca locall los los terre terrenos nos comp comple le#o #oss 6p.e 6p.e#.#. aerogeneradores situados en una pendiente rugosa7 pueden implicar que ráfagas 31
de viento golpeen el rotor desde diversas direcciones. !or lo tanto, puede ser difícil reproducir e"actamente la curva en una locali$ación cualquiera dada.
Riesgs en el us de las cur)as de 'tencia 4na curva de potencia no indicará cuanta potencia producirá un aerogenerador a una cierta velocidad del viento media. V5i siquiera se acercará si usa este métodoW ecuerde que el contenido de energía varía fuertemente con la velocidad del viento, tal como se vio en la sección sobre la energía en el viento. !or lo tanto, es mu importante la forma a la que se ha llegado a ese promedio, es decir, si los vientos varían mucho o si soplan a una velocidad relativamente constante. =ambién, puede acordarse del e#emplo en la sección sobre la función de densidad de potencia, que la maor parte de energía eólica está disponible a las velocidades del viento que son el doble de la velocidad del viento más com(n en dicho empla$amiento ?inalmente, debe tenerse el cuenta el hecho de que la turbina puede no estar girando a la temperatura presión de aire estándar, consecuentemente hacer correcciones de los cambios en la densidad del aire
2.# ceficiente de 'tencia )elcidad es'ec!fica 0 ceficiente de 'ar
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El coeficiente de potencia indica con qué eficiencia el aerogenerador convierte la energía del viento en electricidad.
Simplemente dividiendo la potencia eléctrica disponible por la potencia eólica de entrada, para medir como de técnicamente eficiente es un aerogenerador. En otras palabras, tomamos la curva de potencia la dividimos por el área del rotor para obtener la potencia disponible por metro cuadrado de área del rotor. !osteriormente, para cada velocidad del viento, dividimos el resultado por la cantidad de potencia en el viento por metro cuadrado. El gráfico muestra la curva del coeficiente de potencia para un aerogenerador danés típico. %unque la eficiencia media de estos aerogeneradores suele estar por encima del *+ por cien, la eficiencia varía mucho con la velocidad del viento 6pequeñas oscilaciones en la curva suelen ser debidas a errores de medición7. 9omo puede observar, la eficiencia mecánica del aerogenerador más alta 6en este caso del --17 se da a velocidades alrededor de B mHs. Este valor ha sido elegido deliberadamente por los ingenieros que diseñaron la turbina. % ba#as velocidades del viento la eficiencia no es tan alta, a que no ha mucha energía que recoger. % altas velocidades del viento, la turbina debe disipar cualquier e"ceso de energía por encima de aquella para la que ha sido diseñado el generador. %sí pues, la eficiencia interesa sobretodo en la $ona de velocidades de viento donde se encuentra la maor parte de la energía.
33
2.4 (etds de e)aluación de la energia 'rducida El resultado de un estudio de evaluación de potencial eólico suele incluir: valores medios má"imos, direcciones predominantes, distribución de frecuencias de velocidades, curva de duración, distribución direccional, turbulencia energía disponible. La instrumentación necesaria para estos estudios consiste en un anemómetro omnidireccional para la medida de la velocidad del viento, una veleta para medir dirección, ambos a unos + m de altura, un termómetro un barómetro. La humedad ambiente la precipitación son medidas complementarias. Los datos de velocidad se registran cada 0 a + segundos se utili$an para evaluar promedios cada + minutos a hora. Si se desea información sobre la turbulencia se ha de medir con una cadencia de al menos muestraHsegundo. La presión atmosférica basta medirla cada horas la temperatura cada hora. La duración de las medidas ha de ser generalmente superior al año con el ob#eto de reducir la incertidumbre sobre el potencial disponible en el lugar. 2ado que resulta inconveniente prolongar e"cesivamente la campaña de medidas se toma un con#unto limitado de medidas se hace uso de información disponible de lugares pró"imos 6estaciones meteorológicas, aeropuertos7 para me#orar la calidad de los resultados, #unto con modelos numéricos de la fluidodinámica atmosférica.
2.5 cnce't cur)a del 'arue
%demás de los parámetros que describen la distribución de velocidades de viento, deben tenerse en cuenta las fluctuaciones de la velocidad del viento. Los movimientos de la atmósfera varían en un amplio rango de escalas temporales 6entre segundos meses7 espaciales 6en centímetros a miles de Dilómetros7. ;ediante un análisis de series temporales de datos de viento en la región cercana al suelo, se observa que e"isten determinados ciclos o fluctuaciones de la velocidad de viento en diversos rangos de frecuencias. Estos ciclos están relacionados a las diferentes escalas del movimiento atmosférico, los cuales no sólo tienen relación con la radiación solar, sino también por las energías procedentes de los diversos intercambios dinámicos, térmicos radiactivos que tienen lugar de manera simultánea en la atmósfera. 4na buena manera de separar las fluctuaciones a corto largo pla$o en la velocidad del viento es tener en cuenta el tiempo al que se refieren los análisis características del viento. En relación con la distribución la $ona de mu ba#as frecuencias del espectro representa la energía asociada a los ciclos anuales motivados por el movimiento de la =ierra en su órbita alrededor del sol) a continuación, la $ona de ba#as frecuencias intermedias constitue el rango 34
meteorológico de macroescala las variaciones se deben a los movimientos sinópticos a gran escala de las masas de aire que ocurre normalmente debido a pasos de frentes ciclónicos anticiclónicos con períodos de duración entre tres cuatro días. En la $ona de alta frecuencia del espectro las variaciones son debidas a las turbulencias, forma parte el rango meteorológico de microescala como consecuencia del intercambio mecánico en las capas ba#as de la atmósfera debido a las características superficiales del terreno, los ciclos de energía están centrados alrededor del intervalo de un minuto. Es importante tener en cuenta la ausencia de energía asociada en el intervalo entre die$ minutos dos horas. 4na consecuencia práctica es que se puede considerar un tiempo de promedio en este intervalo sin perder información característica de los ciclos típicos de energía. La variación espectral de la energía cinética del viento representa cuantitativamente cualitativamente la distribución de las frecuencias de variación del viento.
UN8DAD # 9R8N%898OS GENERALES DE D8SE:O DE UNA 8NS&ALA%8ON EOL8%A #.1. ;actres e7terns.
Aa una serie de factores e"ternos al aerogenerador que tienen una influencia significativa en el diseño final del sistema. 9aracterísticas del empla$amiento La velocidad media del viento del empla$amiento la má"ima velocidad del viento esperado durante un período de tiempo concreto 6que puede ser de un siglo7 determinarán, por un lado, la superficie del rotor para obtener la potencia requerida al aerogenerador. %demás las solicitaciones estáticas en el rotor en la torre vendrán estrechamente ligadas a estas características. El nivel de turbulencia atmosférica del empla$amiento determinara el valor de las cargas aerodinámicas de fatiga de los componentes. Este nivel de turbulencia puede variar mucho de un lugar a otro. El sistema eléctrico local influirá en la elección del tipo de generador elegido. Las características del terreno determinarán además, el tipo de fundación e incluso el tamaño má"imo del rotor. Los problemas de transporte del aerogenerador están directamente determinados por la accesibilidad del empla$amiento 6por e#emplo islas o lugares remotos7 pueden limitar el tamaño má"imo del aerogenerador económicamente rentable en dicho lugar. 35
?actores medioambientales 9uanto maor sea el n(mero de aerogeneradores instalados, el impacto medioambiental crece, especialmente en $onas habitadas. Las emisiones ac(sticas 6ruido7 el impacto visual deberán ser considerados e incluso pueden ser cruciales a la hora de emprender un proecto concreto. 9ondiciones de diseño Las facilidades de manufacturación influen en las decisiones de la elección de materiales componentes. Esto es generalmente mas significativo cuando una compañía e"istente de aerogeneradores se propone mover sus productos que cuando una nueva empie$a a darlos a conocer. ?actores legales Los aerogeneradores deben cumplir unos requisitos de seguridad dictados por las autoridades competentes de cada país, refle#adas en una serie de 5ormas. Esto puede causar problemas al no e"istir uniformidad de dichas 5ormas entre los diferentes países. ;uchos de estos regulaciones que ha en los diferentes países están en constante transformación lo que puede producir ciertos problemas pueden dar lugar a confusión. Este es un problema de difícil solución) un conocimiento previo de la legislación será de gran auda a la hora de definir las características de nuestro aerogenerador. #.2. O'cines de dise<
!ara el diseño de un aerogenerador ha multitud de listas de diseño permutaciones de diseño. %lgunas veces es posible identificar un numero de grandes cambios los cuales dan unas características especificas al aerogenerador el cual hace tener un diseño diferente, como puede ser la posición del rotor, el numero de palas, tipo de torre, etc. Estas opciones de construcción son e"plicadas a continuación: !osición del rotor. 9onsideraremos dos posiciones: K otor a barlovento Las turbinas eólicas a barlovento son las que poseen el rotor o hélice enfrentando al viento, es decir delante de la torre.
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La venta#a básica de este tipo de máquinas es que evitan la influencia de la sombra aerodinámica de la torre. Sin embargo, aunque en menor medida que en una configuración a sotavento, e"iste una pequeña perturbación. Esto de debe a que en la porción del área del rotor que enfrenta a la torre se induce, igualmente, una variación en el patrón normal de variación presiones a lo largo de las líneas de flu#o que atraviesan dicho sector. 2ebido a esto estas líneas de flu#o empie$an a curvarse antes de llegar a la torre en si, a(n si la superficie de ésta fuera cilíndrica perfectamente lisa. Es así que cada ve$ que las palas del rotor pasen por las cercanías de la torre la potencia que posee el viento, que éstas captan, cae sensiblemente. 4na desventa#a es que se necesita un rotor mas rígido situado a cierta distancia de la torre a que de otro modo e"iste el riesgo de interferencia con la misma debido a los esfuer$os que tienden a fle"ionar las palas en sentido flap. Esto aumenta considerablemente el costo de las mismas por requerir, sus materiales, me#ores propiedades mecánicas. Sin embargo, la desventa#a principal de una configuración a barlovento, dentro de las dimensiones Ho potencia de la que se trata la turbina en estudio, es que requiere un sistema de orientación del rotor que lo mantenga enfrentando al viento. =ales sistemas pueden ser activos o pasivos. 4n sistema de orientación activo requiere utili$ar sensores de dirección accionamientos motori$ados que guíen al rotor automáticamente hacia la dirección del viento. 4n sistema de orientación pasivo en una turbina de rotor a barlovento son los que utili$an una aleta estabili$adora como se e"plicará posteriormente tiene una serie de limitaciones para su aplicación en nuestra turbina. K otor a sotavento
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En esta configuración el rotor o hélice se encuentra aguas deba#o de la torre, detrás de ésta respecto a la dirección del viento. Este sistema posee la fundamental venta#a de no requerir dispositivo de orientación alguno, siempre cuando se diseñe adecuadamente el rotor la góndola de tal modo que haga que la misma FsigaF de forma pasiva a la dirección del viento. Sin embargo esta manera de orientar a la hélice se ve obstaculi$ada por la forma en que se puede transmitir la corriente saliente desde el generador a que una vinculación directa por medio de cables necesita un control activo del enroscado de los mismos 6si la góndola ha girado repetidamente en el mismo sentido por un largo período de tiempo7 una por medio de anillos ro$antes debe ser mu bien estudiada dadas las elevadas intensidades de carga que serán transmitidas. 4na importante venta#a adicional de un rotor a sotavento es la posibilidad de emplear materiales para las palas mas fle"ibles, siempre cuando se tenga en cuenta la flecha má"ima admisible. Esta importancia se debe en primer lugar a la disminución del peso que implica una pala menos rígida en segundo lugar a que de este modo se alivian las cargas dinámicas sobre todo el sistema debido que a altas velocidades de viento, por e#emplo durante ráfagas, las palas pueden empe$ar a curvarse 6fle"ión en flap7 aliviando en parte a la torre a toda la estructura de soporte. La desventa#a básica es la fluctuación de la potencia del viento al pasar el rotor por la sombra de la torre. Esto trae apare#ado maores cargas de fatiga sobre la misma turbina que un sistema a barlovento. 5umero de palas
El concepto tripala danés La maoría de aerogeneradores modernos tienen diseños tripala, con el rotor mantenido en la posición corriente arriba 6en la cara de la torre que da al viento7, usando motores eléctricos en sus mecanismo de orientación. % este diseño se le suele llamar el clásico Fconcepto danésF, tiende a imponerse como estándar al resto de conceptos evaluados. La gran maoría de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseño. El concepto básico fue introducido por primera ve$ por el célebre aerogenerador de Jedser. 38
>tra de las características es el uso de un generador asíncrono. 9oncepto bipala 6oscilanteHbasculante7 Los diseños bipala de aerogeneradores tienen la venta#a de ahorrar el coste de una pala , por su puesto, su peso. Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en parte porque necesitan una maor velocidad de giro para producir la misma energía de salida. Esto supone una desventa#a tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual. Xltimamente, varios fabricantes tradicionales de máquinas bipala han cambiado a diseños tripala. Las máquinas bi monopala requieren de un diseño más comple#o, con un rotor basculante 6bu#e oscilante7, como el que se muestra en el dibu#o, es decir, el rotor tiene que ser capa$ de inclinarse, con el fin de evitar fuertes sacudidas en la turbina cada ve$ que una de las palas pasa por la torre. %sí pues el rotor está montado en el e"tremo de un e#e perpendicular al e#e principal, que gira #unto con el e#e principal. Esta disposición puede necesitar de amortiguadores adicionales que eviten que las palas del rotor choquen contra la torre. 9oncepto monopala Sí, los aerogeneradores monopala e"isten , de hecho, ahorran el coste de otra palaW Si algo puede ser construido, los ingenieros lo harán. Sin embargo, los aerogeneradores monopala no están mu e"tendidos comercialmente, pues los inconvenientes de los bipala también son aplicables, e incluso en maor medida, a las máquinas monopala. %demás de una maor velocidad de giro, de los problemas de ruido de intrusión visual, necesitan un contrapeso en el lado del bu#e opuesto a la pala que equilibre el rotor. >bviamente, esto anula el ahorro de peso comparado con un diseño bipala. #.#. (étds de regulación de 'tencia
9ontrol de potencia en aerogeneradores Los aerogeneradores están diseñados para producir energía eléctrica de la forma más barata posible. %sí pues, están generalmente diseñados para rendir al má"imo a velocidades alrededor de 0 mHs. Es me#or no diseñar aerogeneradores 39
que ma"imicen su rendimiento a vientos más fuertes, a que los vientos tan fuertes no son comunes. En el caso de vientos más fuertes es necesario gastar parte del e"ceso de la energía del viento para evitar daños en el aerogenerador. En consecuencia, todos los aerogeneradores están diseñados con alg(n tipo de control de potencia. Aa dos formas de hacerlo con seguridad en los modernos aerogeneradores. %erogeneradores de regulación por cambio del ángulo de paso 6Fpitch controlledF7 2ibu#o de una turbina variando el ángulo de paso En un aerogenerador de regulación por cambio del ángulo de paso, el controlador electrónico de la turbina comprueba varias veces por segundo la potencia generada. 9uando ésta alcan$a un valor demasiado alto, el controlador envía una orden al mecanismo de cambio del ángulo de paso, que inmediatamente hace girar las palas del rotor ligeramente fuera del viento. & a la inversa, las palas son vueltas hacia el viento cuando éste disminue de nuevo. %sí pues, las palas del rotor deben ser capaces de girar alrededor de su e#e longitudinal 6variar el ángulo de paso7, tal como se muestra en el dibu#o. >bserve que el dibu#o está e"agerado: durante la operación normal, las palas girarán una fracción de grado cada ve$ 6 el rotor estará girando al mismo tiempo7. El diseño de aerogeneradores controlados por cambio del ángulo de paso requiere una ingeniería mu desarrollada, para asegurar que las palas giren e"actamente el ángulo deseado. En este tipo de aerogeneradores, el ordenador generalmente girará las palas unos pocos grados cada ve$ que el viento cambie, para mantener un ángulo óptimo que proporcione el má"imo rendimiento a todas las velocidades de viento. El mecanismo de cambio del ángulo de paso suele funcionar de forma hidráulica. Los aerogeneradores de regulación 6pasiva7 por pérdida aerodinámica tienen las palas del rotor unidas al bu#e en un ángulo fi#o. Sin embargo, el perfil de la pala ha sido aerodinámicamente diseñado para asegurar que, en el momento en que la velocidad del viento sea demasiado alta, se creará turbulencia en la parte de la pala que no da al viento, tal como se muestra en el dibu#o de la página anterior. Esta pérdida de sustentación evita que la fuer$a ascensional de la pala act(e sobre el rotor. Si ha leído la sección sobre aerodinámica aerodinámica pérdida de sustentación , se dará cuenta de que conforme aumenta la velocidad real del viento en la $ona, el ángulo de ataque de la pala del rotor también aumentará, hasta llegar al punto de empe$ar a perder sustentación. 40
Si mira con atención la pala del rotor de un aerogenerador regulado por pérdida aerodinámica observará que la pala está ligeramente torsionada a lo largo de su e#e longitudinal. Esto es así en parte para asegurar que la pala pierde la sustentación de forma gradual, en lugar de hacerlo bruscamente, cuando la velocidad del viento alcan$a su valor crítico 6otras de las ra$ones para torsionar la pala han sido mencionadas en la sección previa sobre aerodinámica7. La principal venta#a de la regulación por pérdida aerodinámica es que se evitan las partes móviles del rotor un comple#o sistema de control. !or otro lado, la regulación por pérdida aerodinámica representa un problema de diseño aerodinámico mu comple#o, comporta retos en el diseño de la dinámica estructural de toda la turbina, para evitar las vibraciones provocadas por la pérdida de sustentación. %lrededor de las dos terceras partes de los aerogeneradores que actualmente se están instalando en todo el mundo son máquinas de regulación por pérdida aerodinámica. %erogeneradores de regulación activa por pérdida aerodinámica 4n n(mero creciente de grandes aerogeneradores 6a partir de ;G7 están siendo desarrollados con un mecanismo de regulación activa por pérdida aerodinámica. =écnicamente, las máquinas de regulación activa por pérdida aerodinámica se parecen a las de regulación por cambio del ángulo de paso, en el sentido de que ambos tienen palas que pueden girar. !ara tener un momento de torsión 6fuer$a de giro7 ra$onablemente alto a ba#as velocidades del viento, este tipo de máquinas serán normalmente programadas para girar sus palas como las de regulación por cambio del ángulo de paso a ba#as velocidades del viento 6a menudo sólo utili$an unos pocos pasos fi#os, dependiendo de la velocidad del viento7. Sin embargo, cuando la máquina alcan$a su potencia nominal , observará que este tipo de máquinas presentan una gran diferencia respecto a las máquinas reguladas por cambio del ángulo de paso: si el generador va a sobrecargarse, la máquina girará las palas en la dirección contraria a la que lo haría una máquina de regulación por cambio del ángulo de paso. En otras palabras, aumentará el ángulo de paso de las palas para llevarlas hasta una posición de maor pérdida de sustentación, poder así consumir el e"ceso de energía del viento. 4na de las venta#as de la regulación activa por pérdida aerodinámica es que la producción de potencia puede ser controlada de forma más e"acta que con la regulación pasiva, con el fin de evitar que al principio de una ráfaga de viento la potencia nominal sea sobrepasada. >tra de las venta#as es que la máquina puede funcionar casi e"actamente a la potencia nominal a todas las velocidades de viento. 4n aerogenerador normal de regulación pasiva por pérdida aerodinámica tendrá generalmente una caída en la producción de potencia eléctrica a altas velocidades de viento, dado que las palas alcan$an una maor pérdida de sustentación. 41
El mecanismo de cambio del ángulo de paso suele operarse mediante sistemas hidráulicos o motores eléctricos paso a paso. La elección de la regulación por cambio de paso es sobre todo una cuestión económica, de considerar si vale o no la pena pagar por la maor comple#idad de la máquina que supone el añadir el mecanismo de cambio de paso de la pala. >tros métodos de control de potencia %lgunos aerogeneradores modernos usan alerones 6flaps7 para controlar la potencia del rotor, al igual que los aviones usan aletas para modificar la geometría de las alas obtener así una sustentación adicional en el momento del despegue. >tra posibilidad teórica es que el rotor oscile lateralmente fuera del viento 6alrededor de un e#e vertical7 para disminuir la potencia. En la práctica, esta técnica de regulación por desalineación del rotor sólo se usa en aerogeneradores mu pequeños 6de menos de DG7, pues somete al rotor a fuer$as que varían cíclicamente que a la larga pueden dañar toda la estructura.
#.4. (ateriales de 'ala
Las palas del aerogenerador son unas de las partes más importantes por no decir la más importante a que son las encargadas de recoger la energía del viento, convertir el movimiento lineal de este en un movimiento de rotación, esta energía es transmitida al bu#e, del bu#e pasa a un sistema de transmisión mecánica de ahí al generador que transforma el movimiento de rotación en energía eléctrica. El diseño de las palas es mu parecido al del ala de un avión, como se puede ver en la figura.
?%I<9%9<>5 2E L%S !%L%S.
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El proceso de fabricación de las palas es laborioso principalmente por los tamaños con los que se traba#a como se puede ver en la figura .
Las palas generalmente están construidas de la siguiente manera: una estructura central resistente más dos cubiertas e"teriores que forman el perfil aerodinámico, de forma alabeada anchura decreciente hacia la punta en dirección a"ial.
Los requisitos que debe cumplir la pala para que todo este correcto son: 7 =ener una resistencia estructural adecuada a las condiciones de traba#o a las que va a ser sometida. *7 esistencia a fatiga 6en particular a tensiones alternas debidas a vibraciones7. 7 igide$. 43
-7 !eso ba#o. 07 ?acilidad de fabricación. C7 esistencia a agentes medioambientales 6erosión, corrosión7 han ido incrementándose en los (ltimos *+ años. Los materiales más empleados son: 7 Aleaciones de acero % de aluminio& que tienen problemas de peso de fatiga del metal, respectivamente, son actualmente usadas sólo en aerogeneradores mu pequeños. *7 'ibra de vidrio refor(ada con resina poli)ster , para la maoría de las modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores 6dificultad de locali$ar el c.d.g7. 7 'ibra de vidrio refor(ada con resina epox% *#+R,#- , en forma de láminas preimpregnadas. !alas más ligeras, maor fle"ibilidad, menor deformación ba#o temperaturas e"tremas, e"celente resistencia a la absorción de agua. -7 'ibra de carbono o aramidas *.evlar /0 o .evlar 10 7 como material de refuer$o en tiras por sus buenas propiedades mecánicas .%lta resistencia específica, palas mu ligeras. 5ormalmente estas palas son antieconómicas para grandes aerogeneradores. 07 2ixtos fibra de vidrio3fibra de carbono . C7 2ateriales compuestos *composites- de madera& madera3epox%& o madera3 fibra3epox% , a(n no han penetrado en el mercado de las palas de rotor, aunque e"iste un desarrollo continuado en ese área.
#.5. Sistema s'rte del rtr. otor montado directamente en el multiplicador Las cargas son transmitidas directamente a través del e#e de ba#a del multiplicador al soporte de dicho sistema. Su gran venta#a consiste en constituir una estructura compacta que permite construir una góndola más pequeña, con menos componentes por lo tanto más barata. En su contra cabria citar el hecho de la necesidad de un cuidadoso diseño de la multiplicadora para evitar que las cargas e"ternas no varíen la relación de multiplicación adecuada. otor montado en el e#e de ba#a apoando este en varios rodamientos
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Los rodamientos presentan buen comportamiento tanto frente a cargas radiales como a"iales, no transmitiéndose cargas e"ternas al multiplicador. En cambio tiene mu ba#as tolerancias de fabricación deberá utili$arse maquinaria de gran precisión para fabricar los soportes. Las venta#as son una combinación de alta versatilidad capacidad radial, las cargas e"ternas no son transmitidas a el multiplicador. Las desventa#as son que el rotor ha de ser cambiado para que sirva. otor montado en el e#e de ba#a apoado en rodamientos esféricos Los e#es se autoalinean reduciendo los efectos de los errores de desalineación. El rotor el multiplicador deben de ser completamente bloqueados para el mantenimiento de los rodamientos.
#.=. Dise< dl multi'licadr La potencia de la rotación del rotor de la turbina eólica es transferida al generador a través del tren de potencia, es decir, a través del e#e principal, el multiplicador el e#e de alta velocidad, !ero, Ppor qué utili$ar un multiplicadorQ P5o podríamos hacer funcionar el generador directamente con la energía del e#e principalQ Si usásemos un generador ordinario, directamente conectado a una red trifásica de 9% 6corriente alterna7 a 0+ A$, con dos, cuatro o seis polos, deberíamos tener una turbina de velocidad e"tremadamente alta, de entre +++ +++ revoluciones por minuto 6r.p.m.7, como podemos ver en la página sobre cambio de la velocidad de giro del generador. 9on un rotor de - metros de diámetro, esto implicaría una velocidad en el e"tremo del rotor de bastante más de dos veces la velocidad del sonido, así es que deberíamos abandonar esta opción. >tra posibilidad es construir un generador de 9% lento con muchos polos. !ero si quisiera conectar el generador directamente a la red, acabaría con un generador de *++ polos 6es decir, ++ imanes7 para conseguir una velocidad de rotación ra$onable de + r.p.m. >tro problema es que la masa del rotor del generador tiene que ser apro"imadamente proporcional a la cantidad de par torsor 6momento, o fuer$a de giro7 que tiene que mane#ar. %sí que, en cualquier caso, un generador accionado directamente será mu pesado 6 caro7. Jeneralmente se utili$an dos tipos de ca#as multiplicadoras en aerogeneradores: de e#es paralelos o planetarios. La gran diferencia entre las velocidades de giro del rotor de la turbina el rotor del generador eléctrico, implica que estén sometidos a elevados momentos torsores a la entrada, además deben proporcionar altas relaciones de multiplicación 45
!otencia en otación M ; entr . entr Y ;sal. sal ;entr : momento del par aplicado a la entrada de la ca#a multiplicadora proporcionado por el rotor. ;sal: momento del par aplicado a la salida de la ca#a multiplicadora suministrado al generador eléctrico. entr : velocidad angular de giro del rotor. sal: 8elocidad angular de giro del generador eléctrico. =ambién ha una gran diferencia en el par la relación de multiplicación entre máquinas pequeñas máquinas grandes. 4n aerogenerador de ;G comparándolo con uno de C+ @G requiere una relación de multiplicación doble un momento torsor a la entrada cien veces maor. Aasta un intervalo en torno a los 0++ @G. ha pocas diferencias entre el coste de una multiplicadora de e#es paralelos una planetaria. Los planetarios son de menor tamaño pero son más difíciles de inspeccionar mantener. % partir de los 0++ @G. el peso el tamaño menor hacen aventa#ar a los planetarios.
#.>. Sistemas de rientación Sistemas autoorientables ;olino de cola Su uso está restringido a pequeñas máquinas. =raba#an bastante bien aunque presentan bastantes fallos 6figura *.
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?igura KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK ?igura * 8eleta de cola =ambién para pequeños aerogeneradores 6figura 7. >rientación asistida 4tili$an estos sistemas un motor para accionar un engrana#e que enca#a en otro situado en la (ltima sección de la torre. Se requiere por lo tanto la presencia de un sensor que detecte la dirección del viento incidente relativo al rotor.
#.?. Generadr eléctric En aerogeneradores conectados a la red se utili$an generadores síncronos de inducción. Jenerador síncrono Sus maores venta#as son la buena calidad de la potencia suministrada el hecho de estar autoe"citado. !or contra los sistemas de control necesarios son más caros, requieren amortiguación fle"ibilidad adicional en el tren de !otencia además se requiere la instalación de un sistema de control de velocidad del rotor para la buena sincroni$ación. Sobre este tipo de generador se podrá ver en siguientes apartado como son los generadores de corriente alterna síncrono Jenerador asíncrono
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Sus venta#as son un sistema de control sencillo, fle"ibilidad amortiguación inherentes al generador. 5o es necesario un sistema de control de velocidad para arranques. 9omo inconveniente presenta la necesidad de e"citación a través de la red, la necesidad de utili$ar condensadores para corregir el factor de potencia eléctrico el hecho de provocar perturbaciones en la red eléctrica. La maoría de los aerogeneradores utili$an generadores de inducción. Son baratos robustos reduciendo el coste del aerogenerador. Los generadores síncronos se utili$an cuando se requiera una elevada calidad en la potencia suministrada. Este tipo de generador se podrá ver en el tema de los generadores de corriente alterna asíncrono
#.@. &i's de trre Se utili$an dos tipos de torres: tubular de celosía. =orres de celosía Las torres de celosía son fabricadas utili$ando perfiles de acero soldados. La venta#a básica de las torres de celosía es su coste, puesto que una torre de celosía requiere sólo la mitad de material que una torre tubular sin sustentación adicional con la misma rigide$. La principal desventa#a de este tipo de torres es su apariencia visual 6aunque esa cuestión es claramente debatible7. En cualquier caso, por ra$ones estéticas, las torres de celosía han desaparecido prácticamente en los grandes aerogeneradores modernos
=orres tubulares La maoría de los grandes aerogeneradores se entregan con torres tubulares de acero, fabricadas en secciones de *+K+ metros con bridas en cada uno de los e"tremos, son unidas con pernos Fin situF. Las torres son troncoKcónicas 6es decir, con un diámetro creciente hacia la base7, con el fin de aumentar su resistencia al mismo tiempo ahorrar material.
=orres de mástil tensado con vientos
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;uchos de los aerogeneradores pequeños están construidos con delgadas torres de mástil sostenidas por cables tensores. La venta#a es el ahorro de peso , por lo tanto, de coste. Las desventa#as son el difícil acceso a las $onas alrededor de la torre, lo que las hace menos apropiadas para $onas agrícolas. ?inalmente, este tipo de torres es más propensa a sufrir actos vandálicos, lo que compromete la seguridad del con#unto.
UN8DAD 4 S8S&E(AS DE %ONE8BN DE AEROGENERADORES A LA RED
4.1 generadres de )elcidad cnstante En los aerogeneradores de velocidad constante, pala fi#a regulación por Rstall, equipados con generador
Velocidad constante.- En estas máquinas la variación de la velocidad es menor del *1) para conseguir un maor aprovechamiento del viento, la configuración más utili$ada es la de un motor asíncrono directamente conectado a la red eléctrica) una variante mu e"tendida es la de emplear un generador asíncrono con dos devanados, uno de C polos para velocidades del viento ba#as otro de polos para velocidades del viento maores. Velocidad prácticamente constante.- En estas máquinas la variación de la velocidad es menor del +1 son generadores asíncronos con resistencia en el rotor 4.2 generadres funcinand a )elcidad )aria"le Velocidad variale.- Son las máquinas con maor presencia en el mercado) son generadores asíncronos 2oblemente alimentados generadores síncronos conectados a la red mediante un enlace de continua) en ambos casos las variaciones de velocidad obtenidas son similares. En la segunda opción se encuentran los sistemas de transmisión directa que utili$an un generador Síncrono m(ltipolos sin ca#a multiplicadora.
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El estator está acoplado directamente a la red a través de un transformador) el rango de variación de la velocidad del generador es en uno de cuatro polos, desde -++ Z /0+ rpm. La ca#a multiplicadora 9on el uso de convertidores 6a sean pequeños convertidores que controlan la corriente de e"citación, como convertidores para toda la potencia del generador7 se pueden controlar las corrientes de las dos partes del convertidor, el lado del rotor 6rectificador7 el lado de la red 6inversor7, controlando la energía activa reactiva descargadas en la red, me#orando la interacción con la red respecto a las condiciones de régimen permanente, la calidad de suministro la estabilidad de tensión fase. %l controlar la corriente de la parte de la red
4.2.1 generadres s!ncrns
El generadr s!ncrn es un tipo de máquina eléctrica rotativa capa$ de transformar energía mecánica 6en forma de rotación7 en energía eléctrica. Su principio de funcionamiento consiste en la e"citación de flu#o en el rotor. El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor de una parte fi#a o estator . El rotor gira recibiendo un empu#e e"terno desde 6normalmente7 una turbina. Este rotor tiene acoplada una fuente de Fcorriente continuaF de e"citación independiente variable que genera un flu#o constante, pero que al estar acoplado al rotor, crea un campo magnético giratorio 6por el teorema de ?erraris7 que genera un sistema trifásico de fuer$as electromotrices en los devanados estatóricos.
Rtr =ambién conocido como inductor, pues es la parte que induce el volta#e en el estator. El n(cleo del rotor es construido de lámina troquelada de acero al cilicio , material de e"celentes características magnéticas, con la finalidad de evitar pérdidas por histéresis corrientes parasitas. El ugo es una pie$a continua con $apata polar, para así eliminar la dispersión del flu#o por falsos contactos magnéticos. En la $apata polar se hacen barrenos para alo#ar el devanado amortiguador en #aula de ardilla, diseñado con el ob#eto de reducir armónicas en la forma de onda que entrega el generador. El rotor gira concéntricamente en el e#e del generador a una velocidad sincrónica de 0++ revoluciones por minuto 6!;7 para 0+ A$ 63++ !; para C+ A$7. 50
&i's cnstructi)s La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos, se encuentra en su sistema de alimentación en continua para la fuente de e"citación situada en el rotor. •
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E7citación 8nde'endiente: e"citatri$ independiente de corriente continua que alimenta el rotor a través de un #uego de anillos rozantes escobillas. E7citatriz 'rinci'al 0 e7citatriz 'ilt : la máquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra máquina de e"citación independiente, accionada por el mismo e#e. Electrónica de 'tencia: directamente, desde la salida trifásica del generador, se rectifica la señal mediante un rectificador controlado, desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un #uego de contactores 6anillos escobillas7. El arranque se efect(a utili$ando una fuente au"iliar 6batería7 hasta conseguir arrancar. Sin esc"illasC dids giratris: la fuente de continua es un rectificador no controlado situado en el mismo rotor 6dentro del mismo7 alimentado en alterna por un generador situado también en el mismo e#e cuo bobinado de campo es e"citado desde un rectificador controlado que rectifica la señal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor 6que constituen la e"citatri$ piloto de alterna7. E7citación est*tica o por transformador de compounda#e, consiste en que el devanado de campo del rotor es alimentado desde una fuente de alimentación a transformador rectificadores que toma la tensión corriente de salida del estator. El transformador, de tipo especial, posee dos devanados primarios, llamados de tensión e intensidad, que se conectan en paralelo en serie a los bornes de salida del estator. El transformador convierte la tensión de salida a una más ba#a 6+8 apro"7, que se rectifica aplica al rotor por medio de escobillas anillos desli$antes. Es un sistema con autorregulación intrinseca, a que al tener el bobinado serie, al aumentar el consumo sobre el generador, aumenta el flu#o del transformador por lo tanto aumenta la e"citación del generador
4.2.1.1 GENERADORES AS8N%RONOS %ON RO&OR %OR&O%8R%U8&ADO 4na opción para me#orar el rendimiento a ba#as velocidades de viento, es diseñar el aerogenerador con dos máquinas eléctricas acopladas al e#e. 4na de las máquinas será de ba#a potencia nominal maor n(mero de polos, de manera que 51
su velocidad de sincronismo sea menor. Esta máquina estará conectada a la red eléctrica para velocidades de viento ba#as. 9uando la velocidad de viento ascienda, aumentará el par mecánico producido por a pala. Si debido a éste aumento de par, se logra superar la potencia nominal del generador, el control desconecta a éste conecta a la red eléctrica el generador de maor potencia menos polos, por lo que su velocidad de sincronismo es maor. Si desciende la velocidad del viento, obviamente el control reali$ará el proceso inverso. % este tipo de generación no se le puede denominar velocidad variable, en realidad es generación a velocidad constante con dos velocidades de sincronismo
4.2.1.1.2. (ediante mediante cam"i de 'ls. E"isten varias formas de efectuar el cambio de polos en un aerogenerador de inducción. El primer método anali$ado es el denominado de polos consecuentes. Este método es bastante antiguo se basa en el hecho de que el n(mero de polos del devanado del estator de un generador de inducción se puede cambiar fácilmente en relación *: mediante sencillas modificaciones en las cone"iones de las bobinas. El rotor deberá ser de #aula de ardilla, a que por inducción siempre se crean en él tantos polos como los que tenga el estator así se podrá adaptar perfectamente cuando cambie el n(mero de polos del estator. La desventa#a de éste método es que las velocidades deben guardas siempre la relación *:. >tro método que supera la limitación del anterior, es diseñar el estator del generador con devanados m(ltiples, los cuales disponen de diferentes n(meros de polos donde se energi$a solo uno de ellos cada ve$. !or e#emplo, un generador puede devanarse con dos arrollamientos, uno para cuatro polos otro para seis polos, así cuando se alimenta con tensión alterna de 0+ A$ de frecuencia, su velocidad de sincronismo puede cambiar de 0++ r.p.m. a +++ r.p.m., simplemente suministrando potencia al otro con#unto de bobinas. 2esafortunadamente, los estátores de devanados m(ltiples son e"cesivamente caros. >tra técnica para modificar el n(mero de polos, basada en una teoría más complicada, pero más viable económicamente que la anterior es la denominada modulación de la amplitud polar 6!%;7. Esta técnica se basa en combinar dos señales senoidales de distinta frecuencia 6deberán ser m(ltiplos entre sí7 en un dispositivo denominado me$clador, la salida resultante contiene componentes con frecuencias iguales a la suma a la diferencia de las dos frecuencias originales a la entrada. 2e manera que si una señal de ++ @A$ se multiplica 6se modula7 52
mediante una señal de @A$, las frecuencias a la salida del me$clador son BB @A$ + @A$. 9omo e#emplo consideramos un generador asíncrono convencional con ocho polos en el estator. Los devanados de este estator se modulan mediante una onda trifásica espacial de dos polos. Esta onda espacial puede producirse mediante la inversión en las cone"iones de la mitad de las fases cada medio giro del campo magnético 63++7. ;ediante este efecto se obtendrán seis polos magnéticos alrededor del estátor, cuatro del mismo tamaño anterior dos de doble tamaño. Si a la onda resultante se anali$a por series de ?ourier, se puede separar en dos distribuciones sinusoidales, una de ellas de seis polos 6la diferencia7 la otra de die$ polos 6la suma7. La respuesta del generador a esta señal que simultáneamente presenta dos n(meros de polos diferentes depende de la distribución el acortamiento de los devanados del estátor. 9omo inconvenientes de éste método están los transitorios que se producen en el proceso de cambio de polos las altas puntas de par que aparecen, a menos que se diseñe para grandes desli$amientos, en cuo caso aumentan las pérdidas. %nderson otros, utili$ando generadores de inducción basados en este principio de modulación de amplitud de polos 6!%;7 con dos o tres velocidades de sincronismo, calcularon un incremento del rendimiento del *,C1 el 3,C1 respectivamente
4.2.2
G8RADORES AS8N%RONOS DE RO&OR 3O38NADO
Los mtres as!ncrns o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna en el que la corriente eléctrica del rotor necesaria para producir torsión es inducida por inducción electromagnética del campo magnético de la bobina del estator. !or lo tanto un motor de inducción no requiere una computación mecánica aparte de su misma e"citación o para todo o parte de la energía transferida del estator al rotor, como en los universales, 29 motores grandes síncronos. El primer prototipo de motor eléctrico capa$ de funcionar con corriente alterna fue desarrollado construido por el ingeniero 5iDola =esla presentado en el American 4nstitute of 5lectrical 5n6ineers 6en español, 4nstituto Americano de 4n6enieros 5l)ctricos, actualmente
de *+[, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor seg(n la Le de inducción de ?arada: La diferencia entre el motor a inducción el motor universal es que en el motor a inducción el devanado del rotor no está conectado al circuito de e"citación del motor sino que está eléctricamente aislado. =iene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia. Las barras están conectadas con anillos 6en cortocircuito como dicen los electricistas7 a cada e"tremidad del rotor. Están soldadas a las e"tremidades de las barras. Este ensamblado se parece a las pequeñas #aulas rotativas para e#ercitar a mascotas como hámsters por eso a veces se llama F#aula de ardillasF, los motores de inducción se llaman motores de #aula de ardilla.
Entonces se da el efecto Laplace 6ó efecto motor7: todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético e"perimenta una fuer$a que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto 'arada% 6ó efecto generador7: en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión. El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estator, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuer$a electromotri$ de inducción. La acción mutua del campo giratorio las corrientes e"istentes en los conductores del rotor, originan una fuer$a electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor
4.2.# GENERA%8ON 38D8RE%%8ONAL
(ED8AN&E
%ON+ER&8DOR
DE
;RE%UEN%8A
Los 9onvertidores de ?recuencia GEJ son equipos destinados al control de velocidad de motores eléctricos de inducción trifásicos, para una amplia gama de aplicaciones industriales. 9on tecnología de (ltima generación diseño moderno, los 9onvertidores de ?recuencia GEJ permiten una fácil instalaciónHoperación se adaptan perfectamente a las necesidades de los accionamientos con una e"celente relación coste beneficio. 54
Las familias de 9onvertidores de ?recuencia GEJ han sido proectadas con softare de (ltima generación lo que permite equipos optimi$ados una e"celente interactividad con el usuario a través de la A;< 6
4.2.4 %AS%ADA $89ERS8N%RONA La característica parKdesli$amiento de una máquina asíncrona depende directamente del valor de la resistencia de su rotor. ;ediante el incremento de esta resistencia la pendiente de la característica parKdesli$amiento disminue, por lo que si el par resistente del generador se mantiene constante, éste cederá más energía por su rotor aumentará su velocidad de giro.
?igura C. Esquema de generador de velocidad variable mediante cascada hipersíncrona. 4tili$ando un generador asíncrono de rotor bobinado conectado a través de sus anillos ro$antes una resistencia variable e"terna se podría reali$ar la generación 3 velocidad variable, pero se aumentarían las pérdidas, disminuendo el rendimiento. ;ediante un equipo convertidor electrónico, se puede reali$ar el efecto de la resistencia, pero además recuperando la energía e"traída. Este equipo estaría compuesto por un rectificador de diodos, una bobina de alisado un inversor 55
trifásico conmutado por red o auto conmutado similar al anali$ado en el generador de velocidad variable con maquina síncrona. ;ediante el control del inversor se incrementa la tensión en el circuito de continua, el rotor del generador se acelera para que al aumentar el desli$amiento aumente la fuer$a electromotri$ inducida polarice en sentido directo los diodos del rectificador, de ésta manera podrá circular la intensidad necesaria para crear par. La corriente solo podrá ir desde el rotor en dirección al inversor, a que el rectificador de diodos hace que el sistema sea unidireccional. !or le tanto para que esta corriente pueda circular, el rotor deberá girar siempre a velocidad superior a la de sincronismo. !or esta ra$ón se denomina a este sistema Fcascada hipersíncrona o supe síncronaF.
?igura /. 2etalle de la cone"ión a la red eléctrica, de una cascada hipersíncrona con inversor conmutado por red. ;ediante este sistema no se puede efectuar ninguna compensación de potencia reactiva, por lo cual estos sistemas necesitan, al igual que los generadores asíncronos a velocidad constante, una batería de condensadores que compense la potencia reactiva demandada en vacío. En función del margen de velocidades que se quieran regular, se seleccionará la potencia de los equipos convertidores, siendo el valor más normal el 0+1 de la potencia nominal del generador asíncrono. %l mane#ar potencias más pequeñas que en el sistema de generación a velocidad variable con máquina síncrona, es más integrable el inversor auto conmutado 6puente de
4.# +EN&AAS +AR8A3LE
DE LOS S8S&E(AS DE +ELO%8DAD %ONS&A&E
esumiendo, las venta#as de cada filosofía de generación en función de la velocidad de giro son:
+elcidad cnstanteK Sistema electrónico simple barato. K %lta fiabilidad. K Ia#a posibilidad de aparecer resonancias estructurales. K 2istorsión armónica nula en las señalas eléctricas obtenidas.
+elcidad )aria"leK ;aor energía eléctrica generada. K
UN8DAD 5 E9LO&A%8BN DE LAS 8NS&ALA%8ONES EBL8%AS 5.1.1 *rea eólica En esta área, España se sit(a entre las primeras potencias mundiales, tanto en capacidad eólica instalada como en cuota de mercado de nuestros fabricantes. 57
5uestro país se encuentra en disposición de mantener Ke incluso potenciarK su situación privilegiada. !ara ello, es necesario impulsar las actuaciones a llevar a cabo en el campo de la innovación tecnológica en las empresas nacionales. En el hori$onte *++0K*++, a los fabricantes nacionales se les plantea como prioritario reali$ar esfuer$os encaminados hacia los siguientes ob#etivos: K Sistemas avan$ados de control de la calidad de la energía cedida a la red. En concreto, para optimi$ar el comportamiento de los parques eólicos frente a la e"istencia de perturbaciones en la red. K 2esarrollo de aerogeneradores con potencia unitaria superior a los * ;G, aplicación de nuevos materiales. K %daptación de los aerogeneradores de alta potencia para soportar los maores requerimientos técnicos para su implantación mar adentro. K
5.2 as'ects tecnlógics 2ebido a la falta de seguridad en la e"istencia de viento, la energía eólica no puede ser utili$ada como (nica fuente de energía eléctrica. !or lo tanto, para salvar los FvallesF en la producción de energía eólica es indispensable un respaldo de las energías convencionales 6centrales de carbón o de ciclo combinado, por e#emplo, más recientemente de carbón limpio o hidroeléctricas que cuenten con embalse de regulación7. Sin embargo, cuando respaldan la eólica, las centrales de carbón no pueden funcionar a su rendimiento óptimo, que se sit(a cerca del B+ 1 de su potencia. =ienen que quedarse mu por deba#o de este porcenta#e, para poder subir sustancialmente su producción en el momento en que aflo#e el viento. !or tanto, en el modo FrespaldoF, las centrales térmicas consumen más combustible por DGh producido. =ambién, al subir ba#ar su producción cada ve$ que cambia la velocidad del viento, se desgasta más la maquinaría. Este problema del respaldo en España se va a tratar de solucionar mediante una intercone"ión con ?rancia que permita emplear el sistema europeo como colchón de la variabilidad eólica. ]cita re!uerida^ %demás, la variabilidad en la producción de energía eólica tiene * importantes consecuencias: •
•
!ara distribuir la electricidad producida por cada parque eólico 6que suelen estar situados además en para#es naturales apartados7 es necesario construir unas líneas de alta tensión que sean capaces de conducir el má"imo de electricidad que sea capa$ de producir la instalación. Es necesario cubrir las ba#adas de tensión eólicas FinstantáneamenteF 6aumentando la producción de las centrales térmicas, o hidráulicas7, pues sino se hace así se producirían apagones generali$ados. Este problema podría solucionarse mediante dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica. La
58
energía eléctrica producida puede ser almacenada, de hecho es almacenada en los embalses e"istentes e interligados al sistema. %demás, otros problemas son: •
•
•
=écnicamente, uno de los maores inconvenientes de los aerogeneradores es el llamado hueco de tensión. %nte uno de estos fenómenos, las protecciones de los aerogeneradores con motores de #aula de ardilla se desconectan de la red para evitar ser dañados , por tanto, provocan nuevas perturbaciones en la red, en este caso, de falta de suministro. Este problema se soluciona bien mediante la modificación de la aparamenta eléctrica de los arogeneradores, lo que resulta bastante costoso, bien mediante la utili$ación de motores síncronos aunque es bastante más fácil asegurarse de que la red a la que se va a conectar sea fuerte estable. 4no de los grandes inconvenientes de este tipo de generación, es la dificultad intrínseca de prever la generación con antelación. 2ado que los sistemas eléctricos son operados calculando la generación con un día de antelación en vista del consumo previsto, la aleatoriedad del viento plantea serios problemas. Los (ltimos avances en previsión del viento han me#orado muchísimo la situación, pero sigue siendo un problema.
%unque estos problemas parecen (nicos a la energía eólica, son comunes a todas las energías de origen natural: •
•
•
4n panel solar solo producirá energía mientras haa suficiente lu$ solar. 4na central hidráulica de represa solo podrá producir mientras las condiciones hídricas las precipitaciones permitan la liberación de agua. 4na central maremotri$ solo podrá producir mientras la actividad acuática lo permita. 59
5.2.1 'eración a generación eólica es una de las tantas soluciones viables sostenibles que apoan las redes eléctricas, sustituendo cantidades significativas de combustibles fósiles que se de#an de quemar, lo que evita la emisión de gases que provocan efecto invernadero, además de reducir los costos de operación mantenimiento en la generación convencional. !or otra parte, la generación eólica posee características que la distinguen marcadamente, por ser una fuente de energía intermitente: depende del viento. !or tanto, la potencia de salida de un aerogenerador será el resultado de la característica instantánea del viento que incide sobre las palas del rotor eólico. El viento, que es el aire en movimiento, es un fenómeno mu aleatorio sus parámetros característicos fundamentales, con incidencia en la generación eólica, son: _ Su variación de velocidad, que depende del proceso sinóptico que haa en el área a nivel de la macroKescala 6entre 0++ +++ Dm7, fundamentalmente de la topología del terreno donde está empla$ado el parque de aerogeneradores, a un nivel de microKescala 6menos de 0+ m7. Los procesos sinópticos determinan los períodos de calma, en los que no ha viento. _ Su densidad, que depende de la temperatura del aire de la presión atmosférica de la $ona. _ Su turbulencia, fenómeno motivado por gradientes térmicos de las masas de aire por obstáculos que se interponen entre los aerogeneradores el viento incidente, como árboles, lomas, construcciones cercanas los propios aerogeneradores que pueden apantallarse unos a otros. _ Su dirección, que depende de los procesos sinópticos orográficos de la $ona. =odo esto condiciona las características de la generación eólica, debido a la tecnología, la operación mantenimiento de los parques eólicos 6>`;7, también son mu peculiares. % continuación se describen las características con respecto a parámetros energéticos de >`;.
5.# (antenimient Las labores de mantenimiento de un parque eólico se basan principalmente en el seguimiento periódico del funcionamiento de los aerogeneradores para detección solución de los fallos que desencadenan sus paradas. 9on respecto a este seguimiento se establecen tareas de mantenimiento preventivo correctivo. stas son: K Lubricación de los co#inetes, soportes rodamientos, lo cual implica un trasiego de los mismos. 60
K eparación de canali$aciones subterráneas. K Sustitución de pie$as de los equipos de operación que se encuentren averiados. K%lmacenamiento de recambios de elementos críticos, materiales de mantenimiento 6como aceites7. K 4so de las áreas de mantenimiento servicios, puesto que en instalaciones eólicas de cierta envergadura se hace necesaria la presencia continuada de personal de mantenimiento. K 4so de los accesos asociados al parque.
5.#.1 csts 0 gasts de in)ersión La energía eólica alcan$ó la paridad de red 6el punto en el que el coste de esta energía es igual o inferior al de otras fuentes de energía tradicionales7 en algunas áreas de Europa de Estados 4nidos a mediados de la década de *+++. La caída de los costes contin(a impulsando a la ba#a el coste normali$ado de esta fuente de energía renovable: se estima que alcan$ó la paridad de red de forma general en todo el continente europeo en torno al año *++, que alcan$ará el mismo punto en todo Estados 4nidos en *+C, debido a una reducción adicional de sus costes del *1.
9oste estimado por ;Gh de la energía eólica en 2inamarca.
El 5ational eneable Energ Laborator estima que el coste normali$ado de la energía eólica enEstados 4nidos disminuirá un *01 entre *+* *++.
61
4n convo que transporta palas para aerogeneradores atraviesa la localidad de Edenfield, en eino 4nido 6*++37. !ie$as incluso maores que la de la imagen son fabricadas por separado posteriormente ensambladas in situ en la propia base del aerogenerador para facilitar su transporte. La instalación de energía eólica requiere de una considerable inversión inicial, pero posteriormente no presenta gastos de combustible.3 El precio de la energía eólica es por ello mucho más estable que los precios de otras fuentes de energía fósil, mucho más volátiles. B El coste marginal de la energía eólica, una ve$ que la planta ha sido construida está en marcha, es generalmente inferior a céntimo de dólar por DGh.*+
de plantas de gas carbón, a que los proveedores de energía son atraídos cada ve$ más a la energía eólica como un recurso fiable frente a los movimientos impredecibles en los precios de otras fuentes de energía.F *>tro informe de la %sociación Iritánica de la Energía Eólica 6 7ritis8 Wind 5ner6% Association7 estima un coste de generación medio para la eólica terrestre de 0KC céntimos de dólar por DGh 6*++07. *0 El coste por unidad de energía producida se estimaba en *++C como comparable al coste de la energía producida en nuevas plantas de generación en Estados 4nidos procedente del carbón gas natural: el coste de la eólica se cifraba en 00,3+ por ;Gh, el del carbón en 0,+ ;Gh el del gas natural en 0*,0+. *C >tro informe gubernamental obtuvo resultados similares en comparación con el gas natural, en *+ en eino 4nido. */ En agosto de *+ licitaciones en Irasil 4rugua para compra a *+ años presentaron costos inferiores a los C0 por ;Gh. En febrero de *+ 7loomber6 Ne9 5ner6% 'inance informó que el coste de la generación de energía procedente de nuevos parques eólicos en %ustralia es menor que el procedente de nuevas plantas de gas o carbón. %l incluir en los cálculos el esquema de precios actual para los combustibles fósiles, sus estimaciones indicaban unos costes 6en dólares australianos7 de 3+H;Gh para nuevos parques eólicos, -H;Gh para nuevas plantas de carbón CH;Gh para nuevas plantas de gas. Este modelo muestra además que Fincluso sin una tasa sobre las emisiones de carbono 6la manera más eficiente de reducir emisiones a gran escala7 la energía eólica es un -1 más barata que las nuevas plantas de carbón, un 31 más que las nuevas plantas de gas.F *3 La industria eólica en Estados 4nidos es actualmente capa$ de producir maor potencia a un coste menor gracias al uso de aerogeneradores cada ve$ más altos con palas de maor longitud, capturando de esta manera vientos maores a alturas más elevadas. Esto ha abierto nuevas oportunidades, en estados como hio, el coste de la eólica procedente de aerogeneradores de entre B+ *+ metros de altura puede competir con fuentes de energía convencional como el carbón. Los precios han caído hasta incluso - céntimos por DGh en algunos casos, las compañías distribuidoras están incrementando la cantidad de energía eólica en su mi" energético, al darse cuenta progresivamente de su competitividad. *B El coste de la unidad de energía producida en instalaciones eólicas se deduce de un cálculo bastante comple#o. !ara su evaluación se deben tener en cuenta diversos factores, entre los cuales cabe destacar: •
El coste inicial o inversión inicial, el costo del aerogenerador incide en apro"imadamente el C+ a /+ 1. El costo medio de una central eólica es, ho, de unos .*++ euros por DG de potencia instalada variable seg(n la 63
tecnología la marca que se vaan a instalar 6F direct driveF, FsíncronasF, FasíncronasF, Fgeneradores de imanes permanentesF7 •
•
•
•
2ebe considerarse la vida (til de la instalación 6apro"imadamente *+ años7 la amorti$ación de este costo) Los costos financieros) Los costos de operación mantenimiento 6variables entre el el 1 de la inversión7) La energía global producida en un período de un año, es decir el denominado factor de planta de la instalación. Esta se define en función de las características del aerogenerador de las características del viento en el lugar donde se ha empla$ado. Este cálculo es bastante sencillo puesto que se usan las Fcurvas de potenciaF certificadas por cada fabricante que suelen garanti$arse a entre B0KB3 1 seg(n cada fabricante. !ara algunas de las máquinas que llevan a funcionando más de *+ años se ha llegado a alcan$ar el BB 1 de la curva de potencia.
5.#.2 3arreras Seg(n indica el propio !lan de Energías enovables, el mantenimiento del crecimiento de la potencia eólica durante el período que abarca el !lan no está e"ento de problemas que podrían frenar K de hecho lo hacen K dicho crecimiento: los análisis reali$ados para la elaboración del !E en esta área han puesto de manifiesto la e"istencia de barreras que, si no son superadas adecuadamente, pueden significar una ralenti$ación o freno al desarrollo del potencial eólico, lo que supondría la no consecución de los ob#etivos propuestos. Seg(n el !E, desde el punto de vista del aprovechamiento del recurso de la gestión de la producción eólica, se destacan como barreras principales la insuficiencia de la infraestructura de evacuación la inadecuada gestión de la producción eléctrica de origen eólico. !reocupa también el enve#ecimiento tecnológico de los actuales parques el desconocimiento del potencial energético marino. Entre las barreras tecnológicas se señala que el grado de penetración eólica actual implica que una descone"ión m(ltiple descontrolada puede producir problemas de estabilidad en la red *. En este sentido, la dificultad para predecir la producción eléctrica de origen eólico puede considerarse una barrera para una maor penetración de esta energía en el sistema. 2iversos organismos, centros tecnológicos, empresas universidades se encuentran traba#ando en esta línea de investigación, con distintos modelos de predicción. En el ámbito normativo, las barreras detectadas por el !E son diversas: falta de armoni$ación normativa a nivel regional) normativa de cone"ión a red condiciones de 64
operación obsoleta 6>rden ;inisterial 0HBHB307) limitación en el eal 2ecreto -CH*++- de las primas tarifas actuales 6hasta los .+++ ;G de potencia instalada7 falta de regulación específica para los parques eólicos marinos. %dicionalmente a estas barreras, los parques eólicos marinos presentan incertidumbres sobre su propia rentabilidad , seg(n los casos, pueden generar cierta contestación social . Son esas barreras normativas las que aquí interesan especialmente, no solo por el carácter #urídico de este artículo, sino también porque las propias normas comunitarias obligan a los Estados miembros a hacer lo posible por eliminarlas. El !E establece una previsión de medidas concretas frente a cada una de las barreras detectadas: .
?rente a las penali$aciones por desvíos 6entre la producción estimada la real7 en la opción de venta al distribuidor a tarifa regulada, se propone modificar el 2 -CH*++eliminando los desvíos para las instalaciones acogidas a dicha opción.
*.
;odificación del 2 -CH*++-, incrementando hasta *+.+++ ;G el límite de potencia eólica del régimen económico establecido 6.+++ ;G7 en lo relativo a las cuantías de las tarifas, incentivos primas. Esto se ha llevado a cabo mediante el 2 CCH*++/, que establece dicho límite en *+.00 ;G.
.
%ctuali$ación de las normativas administrativa técnica de operación cone"ión a red mediante un nuevo eal 2ecreto sobre cone"ión de instalaciones en el régimen especial. Este problema solo ha sido solventado de forma parcial mediante la publicación, en mar$o de *++0, de los !rocedimientos de >peración *., *.* *..
-.
=ransposición a la legislación nacional de la 2irectiva *++H//H9E, en lo relativo a la garantía de origen para la generación eléctrica con fuentes de energía renovables. La >rden <=9H0**H*++/, de *- de mao, ha venido a establecer por fin la regulación de la garantía de origen.
0.
Aomogenei$ación de los procedimientos administrativos en las comunidades autónomas, sobre todo medioambientales, que suponen una gran traba al desarrollo de los proectos. Se trata de un problema de difícil solución, dado el sistema descentrali$ado de producción normativa que la 9onstitución ha establecido.
C.
Eliminación d e las moratorias de tramitación de nuevos parques eólicos establecidas en las regiones de 9antabria, 5avarra, La io#a, %sturias %ragón debido a la saturación temporal de la capacidad de evacuación de la red eléctrica por la gran cantidad de solicitudes de autori$aciones. %lgunas de estas moratorias han sido levantadas 6%sturias, 9antabria7.
/.
2esarrollo de legislación específica para los parques eólicos en el mar. El 2 +*3H*++/ cumple esta previsión del !E.
3.
;odificación del pla$o de aplicación del incentivo para la adaptación de parques con aerogeneradores antiguos, en relación con el problema de la continuidad del suministro 65
frente a huecos de tensión. La disposición adicional séptima del 2 CCH*++/ e"tiende dicho complemento retributivo 6que fi#a en +,3 cHDGh actuali$able anualmente7 hasta el de diciembre de *+ como má"imo. Se prevé aparte la posibilidad de que se estable$ca un incentivo 6+,/ cHDGh, a percibir hasta el fin de *+/7 para la repotenciación 6sustitución de los aerogeneradores por otros de maor potencia7 de *.+++ ;G que no se considerarán a los efectos del límite de los *+.00 ;G para *++.
5.4 As'ects ecnómics Los costes de la energía eólica se pueden anali$ar desde distintos puntos de vista. !ara el inversor, o el promotor de una instalación, los costes a considerar son los costes privados, es decir, los soportados directamente por éste, como los costes de inversión, de e"plotación, los gastos administrativos, etc. Sin embargo, si la inversión se anali$a desde un punto de vista p(blico, o social, es necesario tener en cuenta también otros valores a la hora de determinar su rentabilidad, como el ahorro energético que se produce, el valor de capacidad que aporta al sistema eléctrico, o los costes beneficios medioambientales que supone la instalación.
%stes 'ri)ads Los costes privados de una instalación eólica son: el coste de la inversión, los costes de e"plotación. 9ostes de inversión El coste de inversión inclue los aerogeneradores, la instalación del sistema eléctrico, el sistema de control edificaciones au"iliares, los accesos, la ingeniería del proecto, así como las licencias gastos administrativos que sean necesarios. En la figura *. se e"pone la distribución de costes de inversión, para el caso de un parque eólico.
2istribución de costes de inversión de un parque eólico
66
Los costes de instalación incluen las cimentaciones, normalmente hechas de hormigón armado, la construcción de carreteras 6necesarias para transportar la turbina las secciones de la torre hasta el lugar de la construcción7, un transformador 6necesario para convertir la corriente a ba#a tensión 6CB+ 87 de la turbina a una corriente a +K+ D8 para la red eléctrica local7, cone"ión telefónica para el control remoto vigilancia de la turbina, los costes de cableado, es decir, el cable que va desde la turbina hasta la línea de alta tensión de +K+ D8. >bviamente, los costes de las carreteras de las cimentaciones dependen de las condiciones del suelo, es decir, de como de barato fácil sea construir una carretera capa$ de soportar camiones de + toneladas. >tro factor variable es la distancia a la carretera ordinaria más cercana, los costes de llevar una gr(a móvil hasta el sitio, la distancia a una línea de alta tensión capa$ de mane#ar la producción de energía má"ima de la turbina.
La cone"ión telefónica el control remoto no es una necesidad, pero a menudo es bastante barato, por lo que resulta económico incluirlo en la instalación de una turbina. Los costes de transporte de la turbina pueden entrar en los cálculos, si el empla$amiento es mu remoto, aunque normalmente no son superiores a unos 0.+++ dólares americanos. >bviamente es más barato conectar muchas turbinas en la misma locali$ación que conectar una sola. !or otra parte, ha limitaciones a la cantidad de energía eléctrica que la red local puede aceptar. Si la red eléctrica es demasiado débil para mane#ar la producción de la turbina, puede ser necesario un refuer$o de red, es decir, una e"tensión de la red eléctrica de alta tensión. uién debe pagar por el refuer$o de red 6si el propietario de la turbina o la compañía eléctrica7 varía de un país a otro. El coste de las líneas eléctricas varía en función de su tensión, de su longitud, de la dificultad del terreno para su instalación. 4nos costes apro"imados pueden ser: 67
B.+0 HDm para ba#a tensión, */.+-0 HDm para media tensión, -*.+/+ HDm para alta tensión. Las líneas de ba#a media tensión pueden ir entenadas, lo que encareceria su coste en *.+++ HDm. Si el sistema está conectado a la red eléctrica, también son necesarios transformadores para elevar la corriente a media alta tensión. El transformador de ba#a tensión a media tension puede suponer unos C.+++ por ;G, mientras que el de media a alta tensión costaría unos ++.+++ . En el caso de instalaciones aisladas, serán necesarios elementos de acumulación, como baterías, o volantes de inercia. Este coste no es mu elevado, pudiendo oscilar entre C++ *.++ , para instalaciones alrededor de DG. En el caso de parques eólicos, es necesario un sistema de control, para gestionar su funcionamiento, así como construcciones au"iliares dedicadas a almacén, oficinas, etc. El coste del sistema de control está entre C+.+++ *+.+++ , mientras que las construcciones au"iliares pueden costar entre C.+++ *.+++ . =ambién para el caso de parques o grandes instalaciones, se requiere un sistema de accesos, tanto para el parque en sí, como para cada una de las máquinas. El coste de estos accesos dependerá de la distancia a cubrir, de las condiciones del terreno. 9omo cifra apro"imada, se puede tomar ++ Hm de camino. !or (ltimo, en función de la envergadura del proecto, puede ser necesaria la elaboración de un proecto de obras e instalaciones, cuo coste dependerá del volumen dificultad de las mismas. En general, se puede cifrar en un C1 de los costes de e#ecución a citados, incluendo en esta cifra la dirección de obra, la puesta en marcha de la instalacion.
%stes de e7'ltación Los costes anuales de e"plotación suelen oscilar entre el * el -1 de la inversión inicial. 9omprenden los gastos de personal, costes financieros, costes de operación mantenimiento, las reparaciones sustituciones de los equipos, así como, en su caso, el alquiler de los terrenos. En la figura *.*, se presenta una distribución apro"imada de los costes de e"plotación, para el caso de un parque eólico. 2istribución de costes de e"plotación de un parque eólico
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%stes sciales 9omo a se ha mencionado, e"isten otros valores económicos que es preciso considerar, si la inversión se anali$a desde un punto de vista social. %sí, la energía eólica presenta una serie de aspectos en cuanto a ahorro energético, aumento de la capacidad del sistema, creación de empleo, o venta#as medioambientales, que pueden traducirse en unos beneficios sociales. %lgunos de ellos son conocidos como beneficios e"ternos, o e"ternalidades. Las e"ternalidades son fallos del mercado, producidos cuando una actividad económica produce costes o beneficios en otra actividad, o en la sociedad, sin que estos costes o beneficios se refle#en en el precio del producto. Esto hace que el mercado no funcione correctamente, que por ello no se produ$ca una asignación eficiente de los recursos. !ara conseguir una asignación óptima, estos beneficios deberían ser cuantificados en términos monetarios, e incorporados al precio que se paga por la energía eólica. Esto es la llamada internali$ación de e"ternalidades.
A/rr energétic El gráfico muestra como la producción de energía anual 6en millones de DGh7 varía con la intensidad del viento de la locali$ación. 9on una velocidad de viento media de, digamos, C\/0 mHs a la altura del bu#e, obtendrá alrededor de ,0 millones de DGh de energía anuales.
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9omo puede ver, la producción de energía anual varía apro"imadamente con el cubo de la velocidad del viento a la altura del bu#e. 9ómo de sensible es la producción de energía respecto a la velocidad del viento varía con la distribución de probabilidad del viento, como se e"plicó en la página sobre la distribución de Geibull. En este gráfico tenemos tres e#emplos con diferentes valores de D 6factores de forma7. En nuestro e#emplo traba#aremos con la curva ro#a 6DM*7. Las cifras de producción de energía anual consideran que los aerogeneradores están en condiciones de servicio preparados para girar todo el tiempo. Sin embargo, en la práctica, los aerogeneradores necesitan reparación e inspección una ve$ cada seis meses para asegurar que siguen siendo seguros. %demás, las averías de componentes los accidentes 6fallos de suministro eléctrico7 pueden inutili$ar los aerogeneradores. Estadísticas mu e"tensas muestran que los fabricantes alcan$an, en consecuencia, factores de disponibilidad de alrededor del B3 por ciento, es decir, las máquinas están preparadas para funcionar más del B3 por ciento del tiempo. La producción de energía total se ve generalmente afectada en menos de un * por ciento, dado que los aerogeneradores nunca están en funcionamiento durante los vientos fuertes. 4n grado tan alto de fiabilidad es e"traordinario, comparado con otros tipos de maquinaria, incluendo otras tecnologías de generación de electricidad. %sí pues, el factor de disponibilidad suele ignorarse en los cálculos económicos, dado que ha otras incertidumbres 6p.e#. la variabilidad del viento7 que son mucho maores. Sin embargo, no todos los fabricantes del mundo tienen un buen registro de fiabilidad, por lo que siempre es una buena idea revisar el historial de los fabricantes la capacidad de servicio antes de salir comprar un nuevo aerogenerador. .
+alr de ca'acidad 4na instalación eólica puede sustituir inversiones en nuevas plantas de generación convencional, por lo tanto tendrá un valor de capacidad. Este valor dependerá de una serie de factores, aunque, para una participación marginal, se puede decir que la potencia firme disponible es igual a la potencia media anual.
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Si esto se tuviera en cuenta, valdría que el término de potencia con que se retribue la energía eólica aumentara hasta situarse al nivel del de las energías convencionales al considerarse su potencia igual de valiosa que la de otras instalaciones En el caso de una participación sustancial de la energía eólica, el valor de capacidad tendería a ser nulo, a que no sustituiría nuevas inversiones. El valor de capacidad será maor cuando el régimen de vientos sea más estable, cuando el resto del sistema de generación sea menos fiable. !ara Aolanda, por e#emplo, se ha calculado un valor para +++ ;G de energía eólica de C0K3;G de capacidad convencional. En términos monetarios, esto equivale a /.*++ DGh 68an Gi#D, BB+7.
E7ternalidades sciecnómicas 9omo a se ha mencionado, e"isten una serie de efectos producidos por la energía eólica en el resto de la economía, en la sociedad, que no aparecen recogidos en el precio de la electricidad. Los más evidentes son la creación de empleo, el ahorro de divisas, en el caso de que la tecnología utili$ada sea de producción nacional. Estos beneficios no han sido a(n valorados económicamente de forma fiable para la energía eólica, aunque se consideran de gran importancia, especialmente la creación de empleo.
E7ternalidades mediam"ientales %sí mismo, la sustitución de energías convencionales por la energía eólica produce una serie de beneficios en el medio ambiente que deberían ser tenidos en cuenta en el precio de la energía. En este aspecto se ha traba#ado bastante en los (ltimos años. %sí, se han obtenido valores para la sustitución del carbón por la energía eólica que están alrededor de las C ptasHDGh. Esta cantidad debería ser incluida, bien como una prima en el precio de la eólica, o como un impuesto en el precio del carbón, de tal forma que se incorporen los diferentes efectos medioambientales que uno otro presentan, al ser comparados como alternativas de generación eléctrica. La e"istencia de todos estos beneficios sociales de la energía eólica ha hecho que muchos gobiernos europeos, los de algunos países, haan diseñado una serie de incentivos económicos en los que se intenta incorporar, de una u otra forma, estos beneficios. Estos incentivos han contribuido a crear mercados atractivos para los inversores, lo que a su ve$ ha colaborado en la reducción de los costes de la energía eólica. ;uchos gobiernos compañías eléctricas en el mundo quieren promover el uso de fuentes de energía renovables. !or lo tanto, ofrecen una prima medioambiental a la energía eléctrica, p.e#. en forma de devolución de tasas eléctricas etc. sobre las tasas normales pagadas por el suministro de energía a la red.
Energ!a eólica 0 tarifas eléctricas 71
Jeneralmente las compañías eléctricas están más interesadas en comprar electricidad durante las horas de picos de carga 6má"imo consumo7 de la red eléctrica, pues de esta forma se ahorran la utili$ación de electricidad de unidades generadoras menos eficientes. 2e acuerdo con un estudio sobre los costes beneficios sociales de la energía eólica, la electricidad eólica puede ser de un + a un -+ por ciento más valiosa para la red que si se produ#era de forma totalmente aleatoria. En algunas áreas, las compañías eléctricas aplican tarifas eléctricas distintas dependiendo de la hora del día, cuando compran la energía eléctrica de los propietarios privados de aerogeneradores. 5ormalmente, los propietarios de aerogeneradores reciben menos del precio normal de la electricidad para el consumidor, pues ese precio suele incluir el pago a la compañía eléctrica por los costes de operación mantenimiento de la red eléctrica, además de sus beneficios.
%rédit de ca'acidad !ara entender el concepto de crédito de capacidad, echemos un vista$o a su opuesto, tarifas de potencia: Los grandes consumidores de electricidad suelen pagar tanto por la cantidad de energía 6DGh7 que consumen como por la má"ima cantidad de potencia que obtienen de la red, es decir, los consumidores que quieren obtener una gran cantidad de energía mu rápidamente deben pagar más. La ra$ón de ello es que obligan a la compañía eléctrica a tener una maor capacidad de generación total disponible 6maor potencia de planta7. Las compañías eléctricas tienen que considerar añadir capacidad de generación cuando le proporcionan acceso a red a un nuevo consumidor. !ero con un n(mero modesto de aerogeneradores en la red, los aerogeneradores son casi como Fconsumidores negativosF: posponen la necesidad de instalar otra nueva capacidad generadora. %sí pues, muchas compañías eléctricas pagan una cierta cantidad anual a los propietarios de aerogeneradores en concepto de crédito de capacidad. El nivel e"acto de crédito de capacidad varía. En algunos países se paga en función de un n(mero de mediciones de la potencia producida durante el año. En otras áreas, se utili$a alg(n tipo de fórmula. ?inalmente, en diversas áreas no se proporciona ning(n tipo de crédito de capacidad, pues se considera como una parte de la tarifa de energía. En cualquier caso, el crédito de capacidad es una cantidad por año bastante modesta.
%stes de 'tencia reacti)a La maoría de aerogeneradores están equipados con los denominados generadores asíncronos, también llamados generadores de inducción. Estos generadores necesitan corriente de la red eléctrica para crear un campo 72
magnético dentro del generador con el fin de funcionar. 9omo resultado, la corriente alterna de la red eléctrica cercana a la turbina se verá afectada 6despla$amiento de fase7. En algunos casos esto puede hacer que disminua 6aunque en algunos casos aumenta7 la eficiencia de la transmisión de electricidad en la red vecina, debido al consumo de potencia reactiva. En casi todo el mundo las compañías eléctricas e"igen que los aerogeneradores estén equipados con una batería de condensadores eléctricos conmutables, que compensan parcialmente este fenómeno 6por ra$ones técnicas no quieren una compensación total7. Si la turbina no cumple las especificaciones de la compañía eléctrica, el propietario puede tener que pagar cargos adicionales. 5ormalmente, este no es un problema que preocupe a los propietarios de aerogeneradores, a que los fabricantes e"perimentados suministran por rutina de acuerdo con las especificaciones de la compañía eléctrica local.
5.4.1 (edidas e incenti)s
A. Secretar!a Nacinal de Energ!a •
Le 5. - de *0 de abril de *+ 6Jaceta >ficial 5. *C// de lunes *0 de abril de *+7 Fue reorgani$a la Secretaría 5acional de Energía dicta otras disposicionesF 62eroga la Le 5. 0* de + de #ulio de *++37 2odificación:
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o
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Le 5. 0 de B de septiembre de *+ 6Jaceta >ficial 5. */CBKI de lunes B de septiembre de *+7 Fue reforma la Le 3 de B3/, que regula las actividades relacionadas con los hidrocarburos, dicta otras disposicionesF
Le 5. CB de * de octubre de *+* 6Jaceta >ficial 2igital, 5. */-0K% de #ueves 3 de octubre de *+*7 Rue establece los lineamientos generales de la política nacional para el uso racional eficiente de la energía en el territorio nacional Re6lamentación: o
2ecreto E#ecutivo 5. B3 de B de #unio de *+ 6Jaceta >ficial 5. */K% de #ueves *+ de #unio de *+7 Fue reglamenta la Le CB de * de octubre de *+*, que establece los lineamientos generales de la política nacional para el uso racional eficiente de la energía en el territorio nacionalF
3. Sector Eléctrico •
Le 5. C de de febrero de BB/, =e"to Xnico 6Jaceta >ficial 5. *C3/K9 de miércoles - de septiembre de *+7 Fue dicta el ;arco egulatorio e
2ecreto E#ecutivo 5. ** de B de #unio de BB3 6Jaceta >ficial 5. *0/* de #ueves *0 de #unio de BB37 F!or el cual se reglamenta la Le 5. C de de febrero de BB/, que dicta el ;arco egulatorio e
2odificación: o
o
Le - de B de agosto de *+* 6Jaceta >ficial 2igital, 5. */+B/ de viernes + de agosto de *+*7 ue reforma la Le C de BB/, que dicta el ;arco egulatorio e ficial 2igital, 5. */*0- de miércoles de mar$o de *+7 74
Fue modifica adiciona artículos a la Le -- de *+, relativos a las centrales eólicas destinadas a la prestación del servicio p(blico de electricidad, dicta otra disposiciónF •
Le 5. -0 de - de agosto de *++6Jaceta >ficial 5. *0* de martes + de agosto de *++-7 Fue establece un régimen de incentivos para el fomento de sistemas de generación hidroeléctrica de otras fuentes nuevas, renovables limpias, se dictan otras disposicionesF Re6lamentación: o
•
2ecreto E#ecutivo 5. -0 de + de #unio de *++B 6Jaceta >ficial 5. *C+- de martes C de #unio de *++B7 F!or el cual se reglamenta el égimen de los
Le 5. -- de *0 de abril de *+ 6Jaceta >ficial 5. *C// de lunes *0 de abril de *+7 Fue establece el régimen de incentivos para el fomento dela construcción e"plotación de centrales eólicas destinadas a la prestación del servicio p(blico de electricidadF 2odificación: o
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Le 3 de *C de mar$o de *+ 6Jaceta >ficial 2igital, 5. */*0- de miércoles de mar$o de *+7 Fue modifica adiciona artículos a la Le -- de *+, relativos a las centrales eólicas destinadas a la prestación del servicio p(blico de electricidad, dicta otra disposiciónF
Le - de * de agosto de *+* 6Jaceta >ficial 2igital, 5. */+B de lunes C de agosto de *+*7 ue establece el régimen de incentivos para el fomento de la construcción e"plotación de centrales de generación a base de gas natural destinadas a la prestación del servicio p(blico de electricidad. Le / de + de #unio de *+ 6Jaceta >ficial 2igital, 5. */+3 de #ueves de #unio de *+7 ue establece el régimen de incentivos para el fomento de la construcción, operación mantenimiento de centrales Ho instalaciones solares.
!esoluciones de la "ecretar#a $acional de %ner&#a - "ector %l'ctrico 75
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Secretaría 5acional de Energía K esolución 5. 3+- de */ de #unio de *+ 6Jaceta >ficial 5. *C30KI de lunes */ de #unio de *+7 F!or la cual se propone adoptar medidas para la e#ecución de estrategias tendientes a garanti$ar la prestación eficiente, continua e ininterrumpida del servicio p(blico de electricidadF Secretaría 5acional de Energía K esolución 5. B3- de * de diciembre de *+ 6Jaceta >ficial 5. *CB de miércoles - de diciembre de *+7 F!or la cual la Secretaría 5acional de Energía recomienda a la %utoridad 5acional de los Servicios !(blicos a la Empresa de =ransmisión Eléctrica. S.%., adoptar medidas regulatorias con relación a los9ontratos de Suministro suscritos entre la Empresa de 2istribución Eléctrica ;etro >este, S.%. EleDtra 5oeste, S.%., con la Empresa Jeneradora del %tlántico, S.%. 6JE5%7F esolución 5. *-3 de 3 de septiembre *+* 6Jaceta >ficial 2igital, 5. */*3 de martes *0 de septiembre de *+*7 Rue recomienda a la %utoridad 5acional de los Servicios !(blicos a la Empresa de =ransmisión Eléctrica, S.%., adoptar medidas tendientes a garanti$ar que las empresas EleDtra 5oreste, S.%., Empresa de 2istribución Eléctrica 9hiriquí, S.%., Empresa de 2istribución Eléctrica ;etroK>este, S.%., cumplan con las obligaciones de contratación de la potencia Ho energía de sus clientes. esolución *-B de 3 de septiembre *+* 6Jaceta >ficial 2igital, 5. */*3 de martes *0 de septiembre de *+*7 Rue recomienda a la %utoridad 5acional de los Servicios !(blicos adoptar medidas sobre el funcionamiento del ;ercado >casional esolución *C+ de B de octubre *+* 6Jaceta >ficial 2igital, 5. */-+ de #ueves de octubre de *+*7 Rue modifica el artículo primero de la esolución 5. *-3 de 3 de septiembre de *+* esolución *C de * de octubre *+* 6Jaceta >ficial 2igital, 5. */-- de miércoles / de octubre de *+*7 Rue recomienda a la %utoridad 5acional de los Servicios !(blicos a la Empresa de =ransmisión Eléctrica, S.%., adoptar medidas tendientes a garanti$ar la prestación eficiente, continua e ininterrumpida del servicio p(blico de electricidad esolución *C* de * de octubre *+* 6Jaceta >ficial 2igital, 5. */-- de miércoles / de octubre de *+*7 Rue recomienda al rgano E#ecutivo, adoptar medidas para la e#ecución 76
de estrategias tendientes a garanti$ar la prestación eficiente, continua e ininterrumpida del servicio p(blico de electricidad.
0.-.* previsiones del mercado La eólica es una de las fuentes de energía de más rápido crecimiento en el mundo. % través de los continuos avances tecnológicos se ha posibilitado un nuevo camino en equipamiento maquinaria cada ve$ más efica$ fiable, posicionando la energía eólica como un referente en la generación de electricidad comercial en más de 3+ países. Ao en día, la industria da empleo a más de -0+.+++ personas en todo el mundo, con un crecimiento e"ponencial impulsado por el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, la disminución propia de los costes en generación de energía eólica, la creciente sensibilidad hacia el medio ambiente el apoo con incentivos financieros de los distintos gobiernos a nivel mundial. Los parques eólicos son proectos intensivos en capital que requieren de una inversión sustancial, los cuales suelen ser financiados (nicamente por grandes empresas grupos de inversión. El impacto de la crisis financiera en el sector eólico ha sido mínima, a que los gobiernos de todo el mundo asignaron casi 30 mil millones de euros hasta fechas recientes para el desarrollo del sector de la energía renovable a través de paquetes de estímulo. La ep(blica de 9orea, por e#emplo, asigna cerca del 3+1 de su paquete de estímulo total al desarrollo de las energías renovables, la me#or asignación de los principales países, mientras que 9hina se posiciona como líder mundial con una inversión de alrededor de 0+ mil millones de euros en fuentes de energía sostenible. Sin embargo, los principales países que todavía están siendo afectados por la crisis financiera la subsiguiente recesión ha agravado esta situación, propiciando que las empresas del sector se haan enfrentado al desafío crítico de la financiación de proectos a corto pla$o en las etapas iniciales de desarrollo. 0.0 2esarrollo sustentable 9on la representación del Jobernador Jabino 9ué ;onteagudo, el secretario de ?inan$as, Jerardo 9a#iga Estrada clausuró este miércoles el Segundo ?oro a"aca, debe aprovecharse al
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má"imo en un marco de legalidad respeto a los ecosistemas, por representar además el principal motor de desarrollo, bienestar beneficio para el estado. % pesar de los avances en el desarrollo de tecnología el uso de energías renovables en otros países del mundo, en ;é"ico, en lugar de seguir la tendencia, en los (ltimos + años el consumo de esta energía ha disminuido al pasar del + a un C.B por ciento) lo anterior lo informaron académicos de la 4niversidad tros países con avances importantes en la materia son
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!or lo anterior, los investigadores se pronunciaron por el uso de energías renovables como son la solar, hidráulica o la eólica. Sobre esta (ltima, icardo 8á$que$ detalló que se encuentran a traba#ando en la implementación de un modelo de transferencia adaptación para la instalación de parques eólicos en la región en donde tengan aceptación social puedan ser sustentables) ;é"ico cuenta con alto potencial eólico en &ucatán, en el
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En presencia del director de a"aca, particularmente en el
RSolo se logrará con un permanente diálogo entre el Jobierno del Estado, las empresas las comunidades indígenas, indicó.
% su ve$, el director del 9a"aca 64=89>7, ?idencio Tulián Luna Santiago, así como de los e"pertos de %lemania, 9olombia, Iélgica, Irasil, 9hina, Singapur, Estados 4nidos, ?ilipinas ;é"ico, el funcionario estatal adelantó que en mar$o del año pró"imo se desarrollará un foro similar en la región del
5.5.1 8m'act am"iental 2efinitivamente todo proecto genera alteraciones al medio ambiente en maor o menor grado, desde la construcción de carreteras, la construcción de viviendas, la edificación de fábricas, etcétera, se eval(a la relación per#uicioHbeneficio para determinar la viabilidad del proecto. El consumo de energía en ;é"ico en el mundo seguirá creciendo irremediablemente) se estima que las necesidades energéticas mundiales para el año *++ superarán en más de 0+ por ciento las e"istentes ho, permaneciendo los combustibles fósiles como principal fuente de abasto, por lo que las emisiones de 9>* a la atmósfera seguirán aumentando, a menos que se tomen medidas pertinentes para evitarlo. 0 Las venta#as de protección al medio ambiente que la energía eólica ofrece con respecto a la energía generada a partir de la quema de hidrocarburos son las siguientes: no contamina, es inagotable, contribue al cambio climático a que de alguna manera se reduce el uso de combustibles fósiles. En la obtención de este tipo de energía no se produce alteración alguna sobre los acuíferos, no se producen gases tó"icos, no se destrue la capa de o$ono ni se generan lluvias ácidas, además tiene emisión cero de gases de efecto invernadero, entre otras. Las energías alternas renovables ofrecen un menor impacto ambiental comparadas con el uso de combustibles fósiles 6petróleo, carbón gas natural7, dentro del con#unto de las energías renovables, el viento el Sol son las que menos impacto ambiental ocasionan. C %unque los impactos ambientales son menores, es conveniente anali$arlos) tal es el caso del ruido generado por el movimiento de las aspas de los aerogeneradores. En realidad no e"isten normas ambientales que regulen la contaminación por ruido que haan sido emitidas por la Secretaría de ;edio %mbiente ecursos 5aturales 6SE;%57 que sean específicas para la energía eólica. !or ello resulta necesario que las instituciones correspondientes generen una normatividad que considere los límites aceptables del ruido producido no sólo por un aerogenerador sino por un grupo de aerogeneradores que serán instalados en la región del L7 / proponen una serie de medidas precautorias para reducir el riesgo de colisión de estas aves contra los aerogeneradores de la central eólica La 8enta <<, que actualmente está en funcionamiento. El
especies) entre las especies en peligro se encuentran la aguililla de alas anchas, la aguililla migratoria maor el halcón peregrino, protegidas por las lees de ;é"ico, Estados 4nidos 9anadá. =ambién señala el <5E9>L que el lugar es una Respecie de cuello de botella por donde miles de aves cru$an, la posibilidad de choques contra los aerogeneradores es mu alta) por ello es necesario llevar a cabo medidas precautorias si se quiere evitar un daño ecológico. Las investigaciones en marcha buscan contrastar dos prototipos de animal teórico: el Rpá#aro partícula contra el Rpá#aro inteligente. En el primer caso las condiciones de viento hacen imposible al animal maniobrar a voluntad, igual que una partícula arrastrada por el viento) en el segundo, el animal puede decidir cómo sortear los obstáculos. 9ada caso implica diferentes soluciones de diseño de los proectos eólicos para disminuir los posibles impactos ambientales hacer compatibles generación eléctrica sustentabilidad. 3 2esde BB3, Torge Auacu$ ;arco Ior#a hacían mención de la polémica del ruido el peligro que representan para las aves los aerogeneradores, haciendo referencia también, de un marco normativo poco claro complicado.B !ara finali$ar el aspecto de impacto ambiental, es importante mencionar el aspecto paisa#ístico naturalmente caracteri$ado por elementos hori$ontales la aparición de un elemento vertical como es el aerogenerador, lo cual produce el llamado efecto discoteca) que aparece cuando el Sol está por detrás de los aerogeneradores las sombras de las aspas se proectan con regularidad sobre los campos, parpadeando. En el caso del
5.5.2 8m'act scial . La ausencia total de información consulta a los pueblos comunidades indígenas asentados durante siglos en este territorio, como se establece en el 9onvenio CB de la >rgani$ación a"aca. *. La desintegración división de e#idos comunidades, por la misma falta de información valoración de consensos en asambleas para la toma de decisiones con relación a los proectos eólicos. . 2erivado de lo anterior, la imposición de los proectos por parte de las empresas, en contubernio con dependencias gubernamentales estatales federales. -. El aumento de la emigración hacia los Estados 4nidos, dada la diferenciación socioeconómica el aumento de la pobre$a en familias que no sean directamente beneficiadas por los parques eólicos. 0. Las empresas transnacionales serán las más beneficiadas económicamente por este tipo de proectos) la tecnología para el mane#o, instalación operación del proecto es e"tran#era. C. El cuestionamiento acerca de si la generación transmisión de energía (nicamente compete al Estado. 82
