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8/17/2019 Diseño Maquinas Eolicas Sin Multiplicador Etsiim Industriales
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Diseño de MáquinasEólicas sin
Multiplicador
Gloria Erades 98484Julian A. Durán 98482Carlos Gonzalez
Sergio Molina 97293Luis Costero 00615Ángel Ortiz 97323Laura Reques 97368
E.T.S.I.I. U.P.M.
Sexto Máquinas
Plan 76
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DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR
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1. INTRODUCCIÓN ......................................................... ........................................................ ........................... 3
1.1 PREFACIO ........................................................... ............................................................. ........................... 3 1.2 HISTORIA DE LA ENERGÍA EÓLICA ......................................................... ............................................. 3 1.3 TIPOLOGÍA DE AEROGENERADORES EÓLICOS.................................................... ........................... 10
1.4 UTILIZACIÓN DEL VIENTO COMO FUENTE DE ENERGÍA..................................................... ......... 16 1.5 ENERGÍA APROVECHABLE DEL VIENTO................................................................. .......................... 20 1.5.1 COEFICIENTE DE POTENCIA.......................................................................................................... 21 1.5.2 TEORÍA DE BETZ ................................................... ....................................................... ..................... 22
1.6 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ENERGÍA OBTENIDA POR EL AEROGENERADOR............. 23 1.6.1 DENSIDAD DEL AIRE........................................................................................................................ 23 1.6.2 ÁREA BARRIDA POR LOS ÁLABES DEL ROTOR............................................................................. 23 1.6.3 VELOCIDAD DEL VIENTO.......................................................... ...................................................... 24
1.7 NOCIONES SOBRE LA AERODINÁMICA DE LAS PALAS ................................................................. 25 1.8 PARTES DE UN AEROGENERADOR...................................................... ............................................... 28
1.8.1 ROTOR................................................................................................................................................. 29 1.8.2 CAJA DE ENGRANAJES..................................................................................................................... 30 1.8.3 GENERADORES ELÉCTRICOS.......................................................................................................... 31 1.8.4 SISTEMAS DE REGULACIÓN DE POTENCIA Y VELOCIDAD ....................................................... 31 1.8.5 SISTEMAS DE ORIENTACIÓN........................................................................................................... 32 1.8.6 CONEXIONES A RED ............................................................... .......................................................... 32 1.8.7 DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD....................................................................................................... 33 1.8.8 ELECTRÓNICA DE CONTROL.......................................................................................................... 34 1.8.9 ACOPLAMIENTOS MECÁNICOS...................................................................................... ................. 35 1.8.10 ESTRUCTURA SOPORTE, CHASIS O GÓNDOLA.......................................................................... 35 1.8.11 TORRES ...................................................... .............................................................. ......................... 36
1.9 ESTADO DE LA TECNOLOGÍA “SIN MULTIPLICADOR”............................................................ ....... 36 1.9.1 COMPARACIÓN MERCADO MÁQUINAS CON/SIN MULTIPLICADOR ........................................ 37 1.9.2 ANÁLISIS DE COSTES DE LAS TECNOLOGÍAS CON/SIN MULTIPLICADOR.............................. 40 1.9.3 DISCUSIÓN......................................................................................................................................... 41
1.10 IMPACTO AMBIENTAL.............................................................................. ........................................... 41 1.10.1 INTRODUCCIÓN......................................................... .............................................................. ....... 41 1.10.2 IMPACTO SOBRE LA VEGETACIÓN ......................................................................... ..................... 42 1.10.3 RUIDO ....................................................... ........................................................... ............................. 42 1.10.4 IMPACTO VISUAL........................................................ ............................................................. ....... 43 1.10.5 IMPACTO SOBRE LAS AVES ........................................................................................................... 44
2. TURBINAS EÓLICAS CON GENERADORES DE CONEXIÓN DIRECTA: POSIBLES
TIPOLOGÍAS DE GENERADOR........................................................... ......................................................... 44
2.1 INTRODUCCIÓN ......................................................... .............................................................. ............... 45 2.2 GENERADOR DE INDUCCIÓN DIRECTA O ASÍNCRONO ................................................................. 45 2.3 GENERADORES TIPO SRM (SWITCHED RELUCTANCE MACHINE) .............................................. 49 2.4 GENERADORES SÍNCRONOS CON EXCITACIÓN ELÉCTRICA ....................................................... 51 2.5 GENERADORES SÍNCRONOS DE MAGNETIZACIÓN PERMANENTE............................................. 54
2.5.1 MÁQUINAS DE FLUJO RADIAL........................................................................................................ 56 2.5.1.1 Máquinas de flujo radial-longitudinal ............................................................ ............................... 56 2.5.1.2 Aspectos sobre el material conductor y magnético en las RFPM.................................................. 61 2.5.1.3 Máquina de flujo radial modular .................................................... ............................................... 62 2.5.1.4 Uso de técnicas de concentración de flujo ......................................................... ........................... 63 2.5.1.5 Uniformización del par mediante uso de imanes curvados ........................................................... 64
2.5.2 MÁQUINA DE FLUJO RADIAL TRANSVERSAL............................................................................... 67 2.5.3.1 Máquinas de flujo axial de imán permanente ranuradas ............................................................... 72 2.5.3.2 Máquinas de flujo axial con un estator y un rotor ........................................................... .............. 73 2.5.3.3 Máquina TORUS con un estator sin dentado y dos rotores.......................................................... 74 2.5.3.4 Estator con dientes y dos rotores........ ............................................................... ........................... 76 2.5.3.5 Máquina de imán permanente de flujo axial interior........................................ ............................. 76 2.5.3.6 Máquina de flujo axial circunferencial............................... ........................................................... 77
2.6 COMPARACIÓN ENTRE DIFERENTES TIPOS DE MÁQUINAS................................................... ...... 80 2.6.1 INTRODUCCIÓN.................................................... ............................................................. ............... 80
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2.6.2 TIPOS DE MAQUINAS ESTUDIADAS.......................................................... ..................................... 82 2.6.3 COMPARACIÓN DE DATOS ENTRE LAS DISTINTAS MÁQUINAS ................................................ 83
2.6.3.1 Máquina de imán permanente con flujo axial y hueco de aire (AFPM) frente a RFPM ............... 83 2.6.3.2 Máquina de imán permanente de flujo transversal (TFPM) frente a RFPM ................................. 84 2.6.3.3 Máquina RFPM con concentración del flujo frente a RFPM con imanes superficiales ............... 85
2.6.3.4 Máquinas con imanes permanentes con flujo axial interior frente a otras..................................... 87 2.6.4 RESULTADOS DE LA COMPARACIÓN DE DATOS ENTRE LAS DISTINTAS MÁQUINAS........... 87
3. CONEXIÓN ENTRE EL GENERADOR Y LA RED DE SUMINISTRO.......... ...................................... 88
3.1. INTRODUCCIÓN ........................................................... ........................................................... ............... 88 3.2. RECTIFICADORES TRIFASICOS......................................... ....................................................... ........... 90
3.2.1.RECTIFICADOR TRIFASICO DOBLE ONDA (DIODO PUENTE RECTIFICADOR)..................... 90 3.2.2. DIODO PUENTE RECTIFICADOR CON BOOST CONVERTIDOR................................................ 93 3.2.3. PWM RECTIFICADOR....................................................................................................................... 93
3.3.INVERSOR TRIFÁSICO EN PUENTE ....................................................... .............................................. 94 3.4 TIPOS DE INVERSORES MAS FRECUENTES............................ ........................................................... 99
3.4.1 LINE COMMUTATED INVERTER (LCI).......................................................... ................................ 100 3.4.2 VOLTAGE SOURCE INVERTER (VSI) .................................................................. ........................... 103 3.4.3 COMBINACIÓN DE INVERSORES............................................................ ...................................... 106 3.4.4 CONCLUSIONES RESPECTO A LOS INVERSORES................................................ ....................... 108
4.MODELOS DE AEROGENERADORES SIN MULTIPLICADOR ........................................................ 108
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Molino Persa
Primeramente aparecieron los molinos de eje vertical: Un número determinado
de velas montadas verticalmente unidas a un eje y empujadas por el aire
reemplazaron el accionamiento animal para proporcionar un movimiento giratorio. Es
bien conocido el hecho de que a mediados del siglo VII a.C. los molinos de viento
eran máquinas bien conocidas en esa parte del mundo, aunque se tratara dediseños bastos y mecánicamente ineficientes.
Los chinos utilizaban desde tiempos inmemoriales los molinos de viento
llamados panémonas, que se usaban para bombear agua. También eran de eje
vertical y sus palas estaban construidas a base de telas sujetas a largueros de
madera. La posición de las palas podía variarse para regular la acción del viento
sobre el molino.
En la Edad Media el molino de viento en conjunto con el molino de agua fueron
las máquinas más importantes antes de la revolución industrial. En este tiempo
giraban alrededor de 200.000 molinos de viento.
El siglo XVII es un siglo de grandes avances científicos y tecnológicos. Sin
embargo, las innovaciones no alteraron el formato exterior de los molinos, que se
mantuvo sin demasiadas modificaciones, pero en cambio mejoraron los detalles de
diseño y construcción apareciendo los sistemas mecánicos de orientación y
regulación.
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Las palas de los molinos anteriores al siglo XVII se construían con un
entramado de varillas a ambos lados de un mástil principal, cubriéndose
posteriormente con una tela. Más tarde el mástil se colocó en el borde de ataque de
la pala, de forma que soportara mejor la entrada de aire. Este sistema era también el
más adecuado para dotar de cierta torsión a la pala a lo largo de la envergadura, con
el fin de mejorar su rendimiento aerodinámico.
Las palas con torsión se desarrollaron en el siglo XVII y la incorporación de los
sistemas de regulación se llevó a cabo en el siglo siguiente.
Los molinos de viento evolucionaron en su desarrollo hasta mediados del siglo
XIX, introduciéndose continuas mejoras tecnológicas a partir de elementos
mecánicos.Las primeras bombas eólicas aparecen hacia 1854, desarrolladas por Daniel
Halladay. Son rotores multipalas acoplados mediante un sistema biela-manivela a
una bomba de pistón.
El pionero olvidado de la turbina eólica fue Charles F. Brush (1849-1929).
Durante el invierno de 1887-88 Brush construyó la que hoy se cree es la primera
turbina eólica de funcionamiento automático para generación de electricidad.
Turbina Eólica de Charles F. Brush
Hacia 1890 se empieza a fabricar, con álabes metálicos, el conocido molino de
bombeo americano, llegando a convertirse en el molino de viento más extendido de
cuantos hayan existido.
Fue en 1892, cuando el profesor Poul La Cour (1846-1908), diseñó el primer
prototipo de aerogenerador eléctrico. Los trabajos de La Cour constituyeron los
primeros pasos en el campo de los aerogeneradores modernos, considerándole elpionero de las modernas turbinas eólicas generadoras de electricidad. Construyó la
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primera turbina eólica generadora de electricidad del mundo en 1891. Poul La Cour
realizó sus experimentos de la aerodinámica de las palas en un túnel de viento
construido por él mismo.
Aerogenerador de La Cour (Dinamarca)
En el siglo XX el hombre comienza a utilizar la energía eólica para producir
electricidad pero en principio sólo para autoabastecimiento de pequeñas
instalaciones.
Los primeros aerogeneradores de corriente alterna surgieron en los años 50 dela mano del ingeniero Johannes Juul, alumno de Poul La Cour, y de la compañía
danesa de turbinas de F.L. Smidth.
Aergenerador bipala F.L. Smidth 1942
Concretamente en 1956 se desarrolló el aerogenerador de Gedser (Dinamarca)
de 200 kW que representa la antesala de los actuales aerogeneradores.
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Aerogenerador de Gedser (1956-57)
Otra máquina eólica de trascendencia fue la construida por el profesor Utrich
Hutter en 1960 con una potencia de 100 kW y un diámetro de 34 m. Estas máquinas
representan los comienzos de diferentes facetas en el desarrollo de la energía
eólica: maquinas con potencias del orden de los megavatios y los diseños
caracterizados por estructuras más livianas que todavía representan el futuro de las
máquinas eólicas.
Después de la primera crisis del petróleo de 1973, y al accidente de la central
nuclear Chernobyl la investigación sobre el campo de la energía eólica se amplió
fuertemente en las 80 y muchos países despertaron su interés en este tipo deenergía. En un principio las compañías de energía dirigieron inmediatamente su
atención a la construcción de grandes aerogeneradores, tomando como punto de
partida el aerogenerador de Gedser. En 1979 construyeron dos aerogeneradores de
630 kW. Estos diseños resultaron extremadamente caros y, en consecuencia, el alto
precio de la energía devino un argumento clave en contra de la energía eólica.
Durante este periodo la mayor implantación de sistemas eólicos se produjo en
EEUU. Miles de máquinas fueron instaladas en el programa eólico de California aprincipios de los 80.
Parque eólico de Palm Springs USA
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La Micon de 55 kW (máquina eólica de origen danés) es un ejemplo de tales
máquinas, instalada en un enorme parque eólico de más de 1.000 máquinas en
Palm Springs (California).
En la década de los noventa se toma conciencia de la necesidad de modificar
el modelo energético basado en los combustibles fósiles y la energía nuclear, por los
problemas que estos causan al medio ambiente. Además gracias a un desarrollo
tecnológico y a un incremento de su competitividad en términos económicos, la
energía eólica ha pasado de ser una utopía marginal a una realidad que se
consolida como alternativa futura y, de momento complementaria, a las fuentes
contaminantes.
Actualmente, las máquinas de 600 y 750 kW continúan siendo el caballo decarga de la industria, aunque el mercado de los megavatios despegó en 1998.
Las máquinas del tamaño de megavatios son ideales para las aplicaciones
marinas, y para las áreas donde escasea el espacio para emplazarlas, pues una
máquina de 1MW explotará mejor los recursos eólicos locales.
Vestas 1,5 MW
En esa década se produjeron grandes mejoras en rendimientos, rentabilidad y
fiabilidad. Hoy en día la tendencia va hasta grandes parques con muchos equipos en
el mar cerca de la costa (offshore parks). Todavía quedan problemas y dificultades
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como el desarrollo de equipos de alta potencia o el impacto ambiental, pero hay un
futuro prometedor en ese campo.
Offshore park (Alemania)
Las estimaciones de los expertos sobre el potencial de la energía eólica
offshore en Europa cubren un rango entre 5% y 30% del consumo total.
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En la siguiente figura se muestra la potencia eólica total instalada en Europa:
Potencia eólica instalada en Europa en 2003
1.3 TIPOLOGÍA DE AEROGENERADORES EÓLICOS
Dos datos de partida son fundamentales cuando tratamos de seleccionar el
aerogenerador idóneo que mejor resuelva el problema que nos planteamos:
• el régimen de vientos disponible, que va fijar cuál es la máquina que
más adecuadamente puede aprovechar las corrientes de viento
incidentes.
• el nivel de necesidades, esto es, la energía que deseamos obtener en
un período de tiempo dado, y que va a determinar el área que debe
barrer el rotor y, en definitiva, el tamaño de la máquina.
Nos centraremos en la primera de estas dos cuestiones, esto es, en los
distintos tipos de rotores eólicos que podemos encontrar. Entre ellos existen
diferencias de rendimiento notables, resultando cada uno más adecuado a un
determinado régimen de vientos.
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- rotores por sustentación. En este grupo, la fuerza motriz utilizada
tiene la dirección perpendicular del viento.
En la siguiente figura:
Descomposición de la fuerza sobre la pala
se representan las fuerzas de resistencia y sustentación. Corresponde a
un perfil aerodinámico inmerso en una corriente, que al perturbar el flujo
crea un gradiente de presiones entre ambas caras, de las que resulta
una fuerza resultante (F). Las proyecciones a que da lugar son las
fuerzas de resistencia (paralela al viento) y de sustentación(perpendicular al mismo).
Las ventajas de las máquinas que se mueven por fuerza de
sustentación son varias:
• Mayor coeficiente de potencia.
• Mayores velocidades de giro, con lo que los requerimiento sobre la
caja de transmisión, serán menores.
• Menor empuje sobre la máquina, con lo que las cargas y losefectos de estela son menores.
Dentro de las aeroturbinas de eje vertical, se pueden destacar los
siguientes diseños:
- Máquina de rotor tipo Savonious, cuya sección recta tiene forma
de S y en la que la acción fundamental del viento sobre ella tiene el
carácter de resistencia. Esta máquina tiene un rendimiento bajo,
por lo que únicamente es idónea, por su simplicidad, para
potencias muy pequeñas.
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Aerogenerador Darrieus y Savonious, respectivamente
Rotor Savonious
- Máquinas de rotor tipo Darrieus integrada por varias palas cuya
sección recta tiene la forma de un perfil aerodinámico. Las palas
están unidas por sus extremos al eje vertical, estando arqueadas
en una forma similar a la que tomaría una cuerda girando alrededor
del eje.
Las ventajas que presentan los aerogeneradores de eje horizontal
son las siguientes:
• Su rendimiento (coeficiente de potencia) es mayor que el
correspondiente a los de eje vertical.
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• Su velocidad de rotación es más elevada que la de los
aerogeneradores Darrieus, por lo que requieren cajas de engranajes
con menor relación de multiplicación.
• La superficie de la pala es menor que en los modelos de eje vertical
para una misma área barrida.
• Los sistemas de sujeción de los modelos Darrieus impiden elevar la
turbina tanto como en los modelos de eje horizontal. Ello da lugar a
que con una misma área barrida se obtenga menor potencia en los
de tipo Darrieus, por aprovecharse menos el aumento de la
velocidad del viento con la altura.
Como contrapartida, los aerogeneradores Darrieus tienen las
siguientes ventajas:
• Su simetría vertical hace innecesario el uso de un sistema de
orientación, como ocurre con las máquinas de eje horizontal para
alinear el eje de la turbina con la dirección del viento.
• La mayoría de los componentes que requieren mantenimiento están
localizados a nivel del suelo.
• No requieren mecanismo de cambio de paso en aplicaciones a
velocidad constante.
La comparación entre los aerogeneradores de eje horizontal y los de tipo
Darrieus, en cuanto al número de prototipos desarrollados y a potencia unitaria de
estos prototipos, es claramente favorable a los de eje horizontal.
Existen otros dispositivos, más o menos ingeniosos utilizando el efecto venturi,
el calentamiento solar, la vorticidad inducida o una pared deflectora. Aunque todosellos son de mucha menor aplicación.
A continuación se muestra un esquema general de los distintos tipos de
aerogeneradores que se pueden encontrar:
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Clasificación de las máquinas eólicas
En la siguiente figura se muestran los rendimientos aerodinámicos de los
distintos tipos de máquinas eólicas referidos anteriormente. Dichos valores están
representados en función de la velocidad específica λ0 definida como λ0 = Ω R/V,siendo Ω la velocidad de giro, R el radio de la pala y V la velocidad del viento
incidente sobre el rotor.
Rendimientos aerodinámicos
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1.4 UTILIZACIÓN DEL VIENTO COMO FUENTE DE ENERGÍA
Todas las fuentes de energías renovables (excepto la maremotriz y la
geotérmica), e incluso la energía de los combustibles fósiles, provienen, en último
término, del sol. La Tierra recibe del Sol 1,74x1017W y alrededor de un 1 a un 2 por
ciento de la energía proveniente del Sol es convertida en energía eólica.
El fenómeno conocido como viento está constituido por las corrientes de aire
generadas a consecuencia del desigual calentamiento de la superficie de la tierra. La
no uniformidad del flujo de radiación solar incidente hace que unas zonas se
calienten más que otras, provocando movimientos convectivos de la masa
atmosférica. El aire caliente asciende, arrastrando aire más frío proveniente de una
región vecina. Al subir se enfría, por lo que aumenta su densidad, descendiendo
para volver a repetir el ciclo.
A altitudes de hasta 100 metros sobre la superficie terrestre, los vientos están
muy influenciados por las características de dicha superficie. El viento es frenado por
la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos. Tratándose de energía
eólica interesará conocer estos vientos de superficie y cómo calcular la energía
aprovechable del viento. Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos
dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden
influir en las direcciones de viento más comunes.
Movimiento convectivo en la atmósfera
Los vientos locales siempre se superponen en los sistemas eólicos a gran
escala, esto es, la dirección del viento es influenciada por la suma de los efectos
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global y local. Cuando los vientos a gran escala son suaves, los vientos locales
pueden dominar los regímenes de viento.
Los principales efectos locales son descritos a continuación:
• Brisas marinas
Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar por
efecto del sol. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel
del suelo que atrae el aire frío del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. A
menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando las temperaturas del
suelo y del mar se igualan. Durante la noche los vientos soplan en sentido
contrario. Normalmente durante la noche la brisa terrestre tiene velocidades
inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es
más pequeña. El conocido monzón del sureste asiático es en realidad un forma
a gran escala de la brisa marina y la brisa terrestre, variando su dirección
según la estación, debido a que la tierra se calienta o enfría más rápidamente
que el mar.
• Vientos de montaña
Las regiones montañosas muestran modelos de clima muy interesantes.Un ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al sur (o
en las que dan al norte en el hemisferio sur). Cuando las laderas y el aire
próximo a ellas están calientes la densidad del aire disminuye, y el aire
asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la ladera. Durante la noche la
dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un viento que fluye ladera
abajo. Si el fondo del valle está inclinado, el aire puede ascender y descender
por el valle. Este efecto es conocido como viento de cañón. Los vientos quesoplan en las laderas a sotavento pueden ser bastante potentes.
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Vientos de montaña
• Variaciones diurnas (noche y día) del viento
En la mayoría de las localizaciones del planeta el viento sopla más fuerte
durante el día que durante la noche. Prueba de ello es la siguiente gráfica:
Gráfica v(m/s)-T(horas)
que muestra como varía la velocidad del viento en una localidad del
Mediterráneo en un día típico del mes de agosto. Esta variación se debe
sobretodo a que las diferencias de temperatura, por ejemplo entre la superficie
del mar y la superficie terrestre, son mayores durante el día que durante la
noche. El viento presenta también más turbulencias y tiende a cambiar de
dirección más rápidamente durante el día que durante la noche. Desde el punto
de vista de los propietarios de aerogeneradores, el hecho de que la mayor
parte de la energía eólica se produzca durante el día es una ventaja, ya que el
consumo de energía entonces es mayor que durante la noche. Muchas
compañías eléctricas pagan más por la electricidad producida durante las horas
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en las que hay picos de carga (cuando hay una falta de capacidad generadora
barata).
• Efecto túnel
Si tomamos un camino entre dos edificios altos o en un paso estrecho
entre montañas observaremos que el aire al pasar a su través se comprime en
la parte de los edificios o de la montaña que está expuesta al viento, y su
velocidad crece considerablemente entre los obstáculos del viento. Esto es lo
que se conoce como efecto túnel.
Efecto túnel
Para obtener un buen efecto túnel, debe estar suavemente enclavado en
el paisaje. En el caso de que las colinas sean muy accidentadas, puede haber
muchas turbulencias en esa área, que pueden causar roturas y desgastes
innecesarios en el aerogenerador.
• Efecto de la colina
Una forma corriente de emplazar aerogeneradores es situándolos en
colinas o estribaciones dominando el paisaje circundante. En particular,siempre supone una ventaja tener una vista lo más amplia posible en la
dirección del viento dominante en el área. En las colinas, siempre se aprecian
velocidades de viento superiores a las de las áreas circundantes. Tal y como se
puede observar en la siguiente figura:
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Efecto colina
el viento empieza a inclinarse algún tiempo antes de alcanzar la colina.
También se aprecia que el viento se hace muy irregular una vez pasa a través
del rotor del aerogenerador. Al igual que ocurría anteriormente, si la colina es
escarpada o tiene una superficie accidentada, puede haber una cantidad de
turbulencias significativa, que puede anular la ventaja que supone tener unas
velocidades de viento mayores.
De este modo, el viento, al considerarlo como recurso energético y desde el
punto de vista de su disponibilidad como suministro, tiene sus características
específicas:
• es una fuente con sustanciales variaciones temporales, a pequeña y
gran escala de tiempo, y espaciales, tanto en superficie como en altura,sin olvidar una componente aleatoria que afecta en gran parte a su
variación total.
• al mismo tiempo hay que considerar que la energía disponible a partir
del viento depende de la velocidad del mismo al cubo, como se explicará
más adelante, por lo que pequeñas variaciones en este parámetro
afectarán en gran medida al resultado final de energía obtenida.
1.5 ENERGÍA APROVECHABLE DEL VIENTO
A continuación se van a introducir dos conceptos fundamentales que han de
ser tenidos en cuenta en todo el desarrollo posterior:
• el coeficiente de potencia: da una idea de la potencia que realmente
estamos obteniendo a través del sistema eólico.
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• la fórmula de Betz: muestra la máxima potencia extraíble de una vena
fluida.
1.5.1 COEFICIENTE DE POTENCIALa potencia que posee el viento incidente sin perturbar y de velocidad V1 viene
dada por la expresión:
Sin embargo, un aerogenerador no es nunca capaz de llegar a capturar el
100% de esta potencia que posee tal viento incidente, de tal manera que la potencia
capturada por el rotor de la máquina es significativamente menor.
El coeficiente de potencia de un aerogenerador es el rendimiento con el cual
funciona el mismo, y expresa qué cantidad de la potencia total que posee el viento
incidente es realmente capturada por el rotor de dicho aerogenerador. Se define
como:
donde P es la potencia realmente capturada por el rotor. Este coeficiente esadimensional.
Por otra parte, hay que hacer notar que el coeficiente de potencia con que
funciona un aerogenerador en general no es constante, pues varía en función de las
condiciones de funcionamiento de la máquina, en concreto del parámetro
denominado λ que es la relación entre las velocidades del extremo de la pala o
velocidad de arrastre (Ω.r) y la velocidad del viento V. La relación se muestra en la
siguiente gráfica:
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Movimiento de un fluido a través de un conducto
1.5.2 TEORÍA DE BETZ
El primero en estudiar los motores eólicos fue Betz, quien por una serie de
razonamientos determinó la máxima potencia extraíble de una vena fluida. El
teorema de Betz tiene para las máquinas eólicas la misma importancia que el deCarnot para las máquinas térmicas. Los supuestos, ideales, en que se basa la
fórmula de Betz son:
• Las palas trabajan sin fricción alguna.
• Las líneas de corriente que definen el volumen de control, separan
perfectamente el flujo de aire perturbado del no perturbado.
• La presión estática en puntos suficientemente alejados del rotor
secciones S1 y S2) coincide con la presión estática de la corrientelibre no perturbada.
• La fuerza desarrollada por unidad de área a lo largo del rotor es
constante.
• El rotor no induce rotación alguna en la estela de salida.
• El fluido es ideal e incompresible.
En virtud del principio de conservación de la energía, si el aerogenerador
extrae una cierta cantidad de energía de la vena, ésta debe perder la mismacantidad de energía cinética. Por tanto, la velocidad V2 debe ser inferior a V1 .
Bajo estas hipótesis Betz dedujo que el máximo valor de potencia susceptible
de ser extraído de la vena fluida es:
expresión que se conoce como fórmula de Betz y que proporciona la máxima
potencia que podemos extraer de una corriente de aire. La relación
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representa el coeficiente de potencia máximo (límite de Betz) y nos servirá para
caracterizar el rendimiento de un rotor eólico.
Por lo tanto, la ley de Betz dice que puede convertirse menos de 16/27 (≅ el 59
%) de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador.
1.6 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ENERGÍA OBTENIDA POR EL
AEROGENERADOR
Los tres factores que influyen en la energía mecánica recuperada por el rotor
son:
1.6.1 DENSIDAD DEL AIRE
La energía cinética contenida en un objeto en desplazamiento es proporcional
a su peso, y por tanto, a su densidad. En las máquinas eólicas, lo que nos interesa
es la energía del viento, y la densidad del aire. Cuanto mas denso es el aire, mayor
es la energía recuperada por el rotor.
A una presión atmosférica normal, y a una temperatura de 15 °C, el aire pesa
1.225 kg/m3. Sin embargo, la densidad disminuye un poco cuando la humedad del
aire aumenta. Así mismo, el aire frío es mas denso que el aire caliente, y también, la
densidad del aire en las montañas es menor que en llano.
1.6.2 ÁREA BARRIDA POR LOS ÁLABES DEL ROTOR
El área del rotor determina cuanta energía del viento es capaz de capturar una
turbina eólica. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del
rotor, una turbina que sea dos veces más grande recibirá cuatro veces más energía.
Eso justifica el hecho de utilizar grandes aeroturbinas.
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El área cubierta por el rotor y, por supuesto, las velocidades del viento,
determina cuánta energía podemos obtener en un año.
El siguiente gráfico:
proporciona una idea de los tamaños de rotor normales en aerogeneradores.
Los diámetros de rotor pueden variar algo respecto a las cifras dadas arriba, ya
que muchos de los fabricantes optimizan sus máquinas ajustándolas a las
condiciones de viento locales.
1.6.3 VELOCIDAD DEL VIENTOLa velocidad del viento es muy importante para la cantidad de energía que un
aerogenerador puede transformar en electricidad: la cantidad de energía que posee
el viento varía con el cubo de la velocidad media del viento, es decir, si la velocidad
del viento se duplica la cantidad de energía que contenga será ocho veces mayor.
La potencia del viento que pasa perpendicularmente a través de un área
circular es:
P = 1/2 ρv
3
πr
2
Siendo:
P = potencia del viento (W).
ρ= densidad del aire seco = 1.225 medida en kg/m3 (a la presión atmosférica
promedio a nivel del mar y a 15° C).
v = velocidad del viento (m/s).
r = radio del rotor (m).
Todos esos criterios juegan un papel en la energía recuperada por el rotor de la
máquina eólica.
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1.7 NOCIONES SOBRE LA AERODINÁMICA DE LAS PALAS
A continuación se van a exponer las características más importantes de los
perfiles sustentadores, en los que se fundamenta el funcionamiento de la mayor
parte de las aeroturbinas.
La fuerza sobre una pala de la aeroturbina resulta de acción de la velocidad
relativa del aire sobre la misma. Dicha velocidad relativa es la composición de la
velocidad del viento y de la velocidad de giro de la propia pala.
Cuando un cuerpo esta sujeto a la acción de un flujo de fluido, se produce una
fuerza que es altamente dependiente de la forma del cuerpo. La dirección de la
fuerza resultante de interacción entre el fluido y el cuerpo está dentro de la regióncomprendida entre las líneas que forman ±90º con la dirección del flujo.
Si la forma del cuerpo es irregular, la fuerza resultante tiende a ser paralela a la
dirección del flujo. Por contra, si el cuerpo tiene una forma aerodinámica, la fuerza
tiende a ser perpendicular a la dirección del flujo.
De este hecho, y puesto que un perfil está a caballo entre estos dos
comportamientos extremos, la fuerza aerodinámica puede ser expresada por dos
componentes:• una componente totalmente perpendicular al flujo, conocida como fuerza
aerodinámica de sustentación
• otra componente que es paralela al flujo, conocida como la fuerza
aerodinámica de arrastre.
En principio puede haber turbinas que funcionen basándose en cualquiera de
estos dos tipos de fuerzas, esto es: que su diseño intente aprovechar
preferentemente una de ellas. De esto ya hemos hablado en apartados precedentesasí que en éste nos ceñiremos al caso de las máquinas que funcionan con perfil
sustentador.
Antes de eso exponemos en la siguiente tabla ejemplos de aplicaciones
diferentes en las que también se aprovechan estos dos tipos de fuerza:
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En términos físicos, la fuerza sobre un cuerpo causada por su interacción con
un fluido se produce por cambios en la velocidad y dirección del flujo alrededor del
contorno del mismo. Estos cambios en velocidad se ven representados en cambios
de presión alrededor de cuerpo y estas diferencias de presión es lo que producen la
fuerza aerodinámica. La Figura siguiente ilustra las fuerzas aerodinámicas sobre unperfil aerodinámico.
Fig. Fuerzas aerodinámicas sobre perfil
La fuerza aerodinámica total es, entonces, la suma vectorial de la fuerza de
sustentación (L en el dibujo ya que en inglés sustentación es lift) y la de arrastre (Ddel inglés drag), se entiende que diferentes formas aerodinámicas tendrán diferentes
relaciones entre estas fuerzas.
Es práctica común describir las propiedades aerodinámicas de perfiles en
términos de coeficientes adimensionales, lo cual facilita el análisis y la comparación
entre perfiles aerodinámicos. Los coeficientes adimensionales son:
• Coeficiente de Sustentación: que es la relación entre la fuerza de
sustentación L y la fuerza (vectorial) que ejerce el fluido, y que podemos
Aeroturbina tipo SavoniusFuerzas de Arrastre Turbina hidráulica tipo Pelton
Anemómetro de cazoletas
Mayoría de las aeroturbinas modernasFuerzas de Sustentación Alas de avión y palas de la hélice
Navegación a vela
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negativos. En la actualidad, se utiliza la condición de pérdida para realizar control
aerodinámico en la operación de equipos con el fin de mantener velocidad de
rotación constante en los rotores.
Otro aspecto que influye en el comportamiento aerodinámico de los perfiles
aerodinámicos es el efecto de la rugosidad de la superficie del perfil y los efectos de
fricción entre el fluido y el perfil. Además los coeficientes son afectados por efectos
de la viscosidad del fluido, función ésta del Número de Reynolds.
1.8 PARTES DE UN AEROGENERADOR
Un sistema de generación eólica está formado por otros subsistemas menores
que realizan una determinada función. En concreto, para las máquinas de gran
potencia, los principales subsistemas que podemos encontrar se presentan de
manera descriptiva en la siguiente figura:
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• Cubo o buje
El cubo del rotor es el elemento donde se unen las palas y mediante el cual la
potencia captada por el rotor se transmite al eje principal. En función de si el rotor
está formado por dos o tres palas pueden presentarse dos tipos de buje:
• Rígido, para aerogeneradores de tres palas, que consiste en una estructura
metálica hueca que típicamente se construye con base en una fundición de
acero nodular.
• Basculante, para aerogeneradores de dos palas, el cual permite que las palas
se puedan mover, ligeramente, en una dirección perpendicular al plano del
rotor.
• Nariz
La nariz del rotor es una cubierta frontal en forma de cono que sirve para
desviar el viento hacia el tren motor y mejorar la ventilación en el interior, eliminar
turbulencia indeseable en el centro frontal del rotor y mejorar el aspecto estético.
1.8.2 CAJA DE ENGRANAJES
En la selección o diseño de una caja de engranes para aerogeneradores se
busca que tenga una relación óptima entre su capacidad de carga, su tamaño y supeso. Asimismo, deben operar con eficiencia alta y emitir poco ruido.
Durante mucho tiempo se utilizaron cajas de engranes del tipo ejes paralelos.
Ahora hay una tendencia a utilizar cajas del tipo planetario porque son más
compactas, pesan menos, emiten menos ruido y en condiciones de carga parcial
tienen una eficiencia mayor.
Ante la construcción de generadores eléctricos de velocidad nominal baja, ha
surgido un nuevo diseño constructivo en el que ya no es necesaria la caja
multiplicadora. En este caso, el rotor se acopla directamente al generador eléctrico.
Sin embargo, estos últimos son de fabricación especializada y sus dimensiones son
relativamente grandes. La foto siguiente muestra una caja de engranajes y el
generador:
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Actualmente, el 90 % de los aerogeneradores comerciales, en el rango de 200
a 3.000 kW, utilizan una caja de engranes en el tren motor y solamente el 10 %
tienen un acoplamiento directo.
1.8.3 GENERADORES ELÉCTRICOS
Los generadores eléctricos más utilizados para la configuración de sistemas
eólicos han sido los generadores asíncronos, aunque con la reducción de costes en
los sistemas eléctricos que separan la producción de energía de la eólica con la
propia red eléctrica están empezando a colocarse en mayor número los síncronos,
siendo éstos últimos los instalados en las máquinas sin multiplicador.
1.8.4 SISTEMAS DE REGULACIÓN DE POTENCIA Y VELOCIDAD
La regulación de potencia y velocidad en aerogeneradores es relativamente
compleja, y ha sido uno de los retos principales en el desarrollo de su tecnología.
Actualmente, se utilizan los métodos que se describen a continuación:
• Variación del ángulo de paso (o calado) de las palas:
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El primer método para el control de la potencia, una vez alcanzado el
valor nominal, es el control del ángulo de paso de la pala (definido éste como el
ángulo que se forma entre la cuerda del perfil aerodinámico en la punta de la
pala y el plano de rotación).
• Control por desprendimiento de flujo:
Este segundo método de control de potencia se aplica en
aerogeneradores de palas donde el ángulo de calado permanece constante.
En este tipo de sistemas al aumentar la velocidad del viento también lo hace
la velocidad relativa produciéndose al mismo tiempo una variación en el
ángulo de ataque.
1.8.5 SISTEMAS DE ORIENTACIÓN
El objeto fundamental del sistema de orientación es mantener el rotor en unplano perpendicular a la dirección del viento, con el fin de extraer de él la máxima
energía.
La mayoría de los aerogeneradores en el mercado actual son del tipo a
barlovento y utilizan servomecanismos para mantener el plano del rotor en posición
perpendicular a la dirección del viento. Estos dispositivos constituyen el elemento
unión entre la torre y la góndola del aerogenerador. Básicamente se construyen a
partir de un cojinete y una corona dentada. La corona está acoplada a piñonesmontados sobre dos o más servomotores (eléctricos o hidráulicos). Normalmente el
subsistema se encuentra habilitado, además, con un freno mecánico.
1.8.6 CONEXIONES A RED
Este es uno de los campos donde más se está avanzando con el fin de
aumentar la eficiencia en la conversión de energía en este tipo de sistemas.
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1.8.7 DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD
El objeto fundamental de este tipo de sistemas es el de proteger la integridad
física de los humanos, así como la del equipo en su conjunto. Por ello, estos
sistemas se ponen en funcionamiento generalmente en situaciones como:
• Presencia de vientos mayores que la velocidad de salida.
• Velocidad de rotación por arriba del máximo aceptable.
• Pérdida de carga (desconexión o fallo de la línea de interconexión).
• Exceso de vibraciones.
• Temperaturas por arriba de las máximas aceptables (en generadores,
cajas de transmisión, controladores electrónicos, etc.).
• Pérdida de presión en controladores hidráulicos.
Los medios que se utilizan para efectuar el paro forzado son:
• Freno de disco.
• Control del ángulo de paso de las palas.
• Dispositivos de punta de pala (frenos aerodinámicos).
• Control de orientación al viento.
La mayoría de los aerogeneradores cuenta con dos (o más) de estos medios,
los cuales pueden operar de manera independiente o coordinada. Dependiendo delmodelo específico del aerogenerador se asigna uno de ellos como el medio principal
de frenado.
En aerogeneradores que tienen sistemas de regulación de velocidad por
control del ángulo de paso de las palas, usualmente se asigna este medio como el
de frenado principal. En este caso, se amplía su rango de operación para que sea
posible colocar la cuerda del elemento de punta de pala en una posición casi
paralela con la dirección del viento (posición de bandera).En la siguiente figura se ilustran los llamados ”dispositivos de punta de pala”
que se utilizan en algunos aerogeneradores para reducir aerodinámicamente la
velocidad del rotor antes de aplicar el freno de disco. Este dispositivo es una sección
en la punta de la pala que se puede girar hasta 90º, con objeto de que su superficie
se oponga aerodinámicamente al giro del rotor.
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1.8.8 ELECTRÓNICA DE CONTROL
Todos los aerogeneradores para centrales eoloeléctricas cuentan con un
sistema electrónico dedicado al control y a la adquisición de datos (SCADA). Cadaaerogenerador cuenta con un SCADA propio, independientemente de que éste
forme parte de una central integrada por varias turbinas. Sus funciones principales
son:
• Controlar los procesos de inicio de operación y de conexión a la línea
eléctrica.
• Controlar la regulación de velocidad y potencia de salida.
• Controlar la orientación del rotor con respecto a la dirección del viento.
• Controlar los procesos de paro forzado.
• Controlar los elementos auxiliares dedicados a mantener las mejores
condiciones de operación normal.
• Ser la interfaz local entre el operador y la máquina.
• Adquirir y procesar los datos del comportamiento operacional de cada
aerogenerador.
• Mantener la comunicación con los centros de supervisión en centrales
eoloeléctricas (transmisión de datos).
Para tales fines, los SCADA miden y procesan las variables de control, entre
las que se encuentran:
• Velocidad y dirección del viento.
• Velocidades angulares.
• Temperaturas.
• Presión.
• Ángulo de orientación.
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• Vibraciones.
• Estados operativos.
• Parámetros eléctricos.
• Eventos.
En la siguiente figura se muestra un sistema de control:
1.8.9 ACOPLAMIENTOS MECÁNICOS
Durante el funcionamiento de un aerogenerador los componentes del sistema
de transmisión están sujetos a fluctuaciones torsionales, desplazamientos axiales y
desalineación entre los ejes. Estos efectos adversos deben ser minimizados parareducir esfuerzos y prolongar la vida útil de los componentes. Por ejemplo, en
aerogeneradores que cuentan con una caja de engranes en el tren de potencia, la
conexión mecánica al generador eléctrico se realiza mediante una barra de torsión
provista de juntas homocinéticas en ambos extremos.
1.8.10 ESTRUCTURA SOPORTE, CHASIS O GÓNDOLA
El chasis principal es una estructura metálica donde se monta el tren de
potencia, el generador eléctrico, las mordazas del freno y, en su caso, las unidades
hidráulicas. Este componente recibe las cargas del rotor a través del tren de
potencia y las transmite a la torre vía el subsistema de orientación.
Usualmente, el chasis principal está construido a partir de perfiles estructurales
de acero soldados y placas de fibra de vidrio.
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1.8.11 TORRES
Las torres constituyen el elemento de apoyo del resto de subsistemas de la
aeroturbina. Por tal motivo, su principal función es estructural. Para instalar
aerogeneradores de eje horizontal se pueden utilizar torres tubulares o torres de
celosía.
En la siguiente fotografía el interior de una torre tubular, sobre las que están
montadas las máquinas de potencias a partir de 1000kW.
1.9 ESTADO DE LA TECNOLOGÍA “SIN MULTIPLICADOR”
Un aerogenerador conectado a la red eléctrica a través de un convertidor de
frecuencia y diseñado para operar con velocidades de rotación variables, es uno de
los más prometedores conceptos para el futuro desarrollo en el campo de la energía
eólica. Esto permite obtener máxima eficiencia del rotor para una velocidad de viento
dada.
El uso de generadores eléctricos multipolos de baja velocidad elimina un caro y
vulnerable elemento de la transmisión de los aerogeneradores tradicionales, el
multiplicador. Esto permite reducir el peso, las dimensiones y el ruido mecánico en
los aerogeneradores. Al mismo tiempo, una de las principales ventajas es una
mejora de los parámetros técnicos y económicos de los equipos eléctricos, los
cuales mejoran la eficiencia total del aerogenerador.
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Para la mejora de esta tecnología se necesita:
• Desarrollo de nuevos tipos de generadores multipolos con mejores
características.
• Desarrollo y optimización de convertidores de frecuencia y métodos
para su control.
La primera implantación a gran escala de generadores multipolos de baja
velocidad para aerogeneradores fue hecha por ENERCON (modelo E-40). El
generador disponía de 84 polos, 6 fases y una conexión a red a través de un
convertidor de potencia.
Otra solución técnica es el uso de generadores multipolo con imanes
permanentes (PMG). Este tipo de generadores alcanzan la más alta eficiencia ya
que la ausencia de bobina excitadora en el rotor reduce las pérdidas.
1.9.1 COMPARACIÓN MERCADO MÁQUINAS CON/SIN MULTIPLICADOR
Sólo unos pocos fabricantes de aerogeneradores ofrecen aerogeneradoressin multiplicador.
En la siguiente figura, se ve claramente que el mercado de aerogeneradores
está dominado por tecnología basada en el uso de multiplicadores.
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En la siguiente tabla se muestran las diferentes tecnologías usadas por los
mayores fabricantes de aerogeneradores:
A continuación se muestra una gráfica en el que se puede apreciar el tipo de
tecnología instalada durante el año 1997:
Debemos distinguir entre los aerogeneradores de velocidad constante de los
de velocidad variable. Los aerogeneradores usan el concepto de velocidad variable
si el rotor puede girar proporcionalmente a la velocidad del viento. El concepto de
velocidad constante asume que la velocidad de rotación del rotor es constante para
cualquier velocidad del viento.
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El uso de convertidores electromecánicos de velocidad variable, en
contraposición con la velocidad constante, tiene varias ventajas:
• Capacidad para extraer más energía del viento (por encima del 6%,dependiendo de la localización del aerogenerador y las palas)
• Reducidas fluctuaciones en la red.
• Bajas emisiones de ruidos a bajas velocidades.
• Bajas cargas mecánicas en los componentes del aerogenerador
durante la transmisión del par.
La siguiente tabla, muestra las características de varias tecnologías usadas
en los aerogeneradores actuales:
Se puede observar que las principales ventajas de la tecnología sin
multiplicador disponible actualmente comparada con la tecnología tradicional son:
• Menores requerimientos de mantenimiento.
• Menor ruido debido a la velocidad variable y también debido a la
ausencia de multiplicador.
• Alta eficiencia a bajas velocidades del viento.
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Por el contrario, las principales desventajas son:
• Mayor coste.
• Menor facilidad de transporte e instalación debido al mayor diámetro de
la máquina.
• Menor eficiencia a altas velocidades del viento.
Son las dos primeras desventajas las que principalmente impiden la inmediata
sustitución de la tecnología con multiplicador.
1.9.2 ANÁLISIS DE COSTES DE LAS TECNOLOGÍAS CON/SIN MULTIPLICADOR
Se va a intentar realizar una comparación entre los costes de las dos
tecnologías expuestas hasta ahora. Se debe resaltar, que es muy difícil poder
traducir en costes factores como el mantenimiento y emisión de sonidos. En este
apartado nos limitaremos a comparar el precio de los equipos.
Los datos que se van a proporcionar han sido obtenidos de diversos
suministradores. Se ha obtenido el coste de una caja multiplicadora, un generador
inductivo, un generador síncrono y convertidores electrónicos de diferentes
suministradores. Para un aerogenerador de 750kW se obtuvieron los datos
expuestos en el siguiente gráfico:
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Los resultados obtenidos nos muestran como los aerogeneradores sin
multiplicador tienen en general un precio más elevado, que en este caso concreto
era del orden de un 30% más.
1.9.3 DISCUSIÓN
Enercon lanzó la tecnología de los aerogeneradores sin multiplicador hace
unos años. Hoy en día compañías como Lagerwey, IGBT, Jeumont, GeneSys... han
desarrollado sistemas similares.
Este tipo de tecnología ofrece una alternativa competitiva a los
aerogeneradores convencionales. Como hemos visto, tienen unas ventajas muyimportantes. Sin embargo se deben hacer esfuerzos para:
• Reducir el coste del generador.
• Desarrollar nuevos diseños de generador con menor diámetro.
• Investigar en el campo de los convertidores, para mejorar el coste
eficiencia.
1.10 IMPACTO AMBIENTAL
1.10.1 INTRODUCCIÓN
El potencial de mitigación de emisiones que ofrece la generación eoloeléctrica
representa una ventaja sobre las tecnologías de generación convencionales que
queman carbón y combustibles derivados del petróleo. El valor efectivo de este
ahorro de combustibles y de mitigación de emisiones a la atmósfera depende de lamezcla de tecnologías de generación en el sistema eléctrico que se trate.
La Comisión Europea estima que la operación de 10.000 MW eoloeléctricos en
la Unión Europea evitaría la emisión de 20 millones de toneladas de CO2 por año, lo
que representaría un ahorro total de 3.500 millones de euros por el concepto de
combustibles fósiles no quemados.
Se ha comprobado que los efectos negativos sobre el medio ambiente que
producen la construcción y funcionamiento de un parque eólico son en general
escasos, como veremos a continuación.
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1.10.2 IMPACTO SOBRE LA VEGETACIÓN
Consideraremos como impacto sobre la vegetación el impacto por erosión del
suelo, puesto que en la erosión queda implícita la pérdida de la vegetación. La
importancia y significación de la vegetación en la identificación de los impactos
ambientales radica en ser, por lo general, un elemento fundamental en la expresión
de los ecosistemas.
En la estimación de los impactos sobre la vegetación es preciso considerar dos
cuestiones: el valor de la vegetación presente en la zona en la que se va a llevar a
cabo el parque eólico, y la incidencia en ella de las operaciones de construcción y
posterior funcionamiento del parque.
Los impactos sobre la vegetación pueden ser directos (desaparición de la vege-
tación), o indirectos (interrupción de cursos fluviales, utilización de herbicidas,
incendios, pastoreo).
Los primeros tienen lugar preferentemente en el momento de la construcción
del parque, son fáciles de prever:
• Movimientos de tierras en la preparación de los accesos al parque eólico.
• Realización de cimentación.
• Construcción de edificación de la instalación.
Los impactos indirectos suelen producirse durante el funcionamiento del par-
que. Su previsión es a veces difícil. Para minimizar estos riesgos deben realizarse al
menos los estudios siguientes:
• Hidrología y pluviometría.
• Trazado y perfiles transversales del camino.
• Impactos sobre la vaguada y cursos de agua.
1.10.3 RUIDO
La emisión de ruido acústico puede llegar a ser un inconveniente cuando los
aerogeneradores se instalan cerca de lugares habitados.
Para que las centrales eoloeléctricas no ocasionen molestias de ruido a sus
vecinos, algunos países han emitido normas ambientales que limitan su cercanía a
lugares habitados.
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La siguiente figura:
Nivel de sonoro en función de la distancia
muestra un ejemplo de cómo disminuye el ruido que emite un aerogenerador en
función de la distancia a su punto de instalación.
La figura siguiente muestra una comparación con el ruido que se percibe deotras fuentes:
Escala de ruido
1.10.4 IMPACTO VISUAL
El impacto visual depende de la percepción de las personas. Al igual que el
problema de ruido, el impacto visual depende de la cercanía entre las poblaciones y
las centrales eoloeléctricas. Asimismo, adquiere mayor o menor dimensión
dependiendo de varios factores psicológicos y sociales.
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1.10.5 IMPACTO SOBRE LAS AVES
A la par de la experiencia operativa de una gran cantidad de centrales
eoloeléctricas en el mundo, se han emprendido estudios sobre la mortalidad de aves
al chocar contra los rotores y las estructuras de los aerogeneradores. También se ha
estudiado el efecto de los aerogeneradores sobre el hábitat y costumbres de las
aves.
La Asociación Europea de Energía Eólica apunta que la muerte de aves a
causa de los aerogeneradores, a pesar de su tamaño y de sus palas en movimiento,
no presenta un problema especial, de acuerdo a lo encontrado en estudios
realizados en varios países europeos. Las líneas de transmisión de energía
eléctrica presentan una amenaza mucho mayor que los aerogeneradores.
2. TURBINAS EÓLICAS CON GENERADORES DE
CONEXIÓN DIRECTA: POSIBLES TIPOLOGÍAS DE
GENERADOR
A continuación pasamos a realizar un estudio general de los tipos de máquinas
de posible utilización en el campo de los aerogeneradores o turbinas de viento sin
multiplicador de velocidad, también llamados de conexión directa.
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En realidad, la diferencia entre los tipos de máquinas se basa principalmente
en la filosofía del generador, y por tanto nos centraremos en la variedad de estos
últimos a la hora de discutir las diferentes posibilidades de producción de energía
eléctrica.
2.1 INTRODUCCIÓN
La característica de las máquinas de conexión directa es que no poseen un
tren de engranajes que ajuste la velocidad de giro del rodete a la necesaria para la
producción de electricidad a la frecuencia deseada. Por tanto, los generadores que
utilizan deberán tener distintas peculiaridades de los de las turbinas que sí lo
montan.
Veremos que el tipo de generador más usado para máquinas sin multiplicador
es el de polos de magnetización permanente, es decir, imanes permanentes.
Los imanes permanentes permiten deshacerse de las curvas de excitación de
corriente continua, y por tanto, de los anillos de deslizamiento que suponen una
pérdida de potencia por producción de calor debido a la resistencia de contacto que
presentan. Esto nos permite obtener máquinas eléctricas con mayor densidad depotencia. Por otro lado, el creciente desarrollo en el campo del control electrónico
(IGBTs e IGCTs) hace que se puedan adaptar mejor la electricidad producida a las
ondas de corriente y tensión con igual frecuencia que la de la red, siendo posible
que las máquinas trabajen con tensiones de onda cuadradas, en frecuencias
óptimas para su funcionamiento.
Debido a la gran cantidad de aplicaciones, velocidades y pares torsores de
funcionamiento, existe una gran variedad de configuraciones de máquina, y noentraremos al estudio particular de cada una de ellas. Se dedicará mayor extensión
a las máquinas de magnetización permanente por ser más baratas, ligeras y
pequeñas, y por tanto apropiadas para los aerogeneradores de conexión directa.
2.2 GENERADOR DE INDUCCIÓN DIRECTA O ASÍNCRONO
La posibilidad de usar un generador de inducción directa en turbinas de viento
la rechazan muchos autores. A continuación se expone el desarrollo teórico del
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generador y luego veremos las conclusiones que desechan su utilización en
máquinas sin multiplicador.
Las máquinas de inducción requieren una corriente de magnetización paraproducir fuerza electromotriz (fem) en el rotor. La inductancia magnética se define
como:
donde Lm es la inductancia magnética de un fase de la máquina, np es el número de
vueltas por polo y fase, Am es el área del circuito magnético para un polo, p es elnúmero de pares de polos y la g es la anchura del entrehierro. Como regla general,
la g se toma como:
donde dg es el diámetro exterior del entrehierro. La inclinación de los polos τp se
define como:
Se denomina inclinación porque es el ángulo con centro en el centro del rotor
que abarca un polo.
En la expresión de Lm , el área Am debe ser escogida de manera que la
densidad de flujo en los dientes del estator sea menor que la de saturación. Para
simplificar, se utilizará la densidad de flujo del entrehierro, en vez de la de los
dientes. Asumimos que si se toma Bgmax = 0,7 T (máxima densidad de flujo del
entrehierro) se previene la saturación en los dientes del estator.
Según la ley de Faraday, el flujo magnético en la huella de aire se define como:
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donde, E es la amplitud máxima de tensión del estator, ωs es la frecuencia eléctrica
del estator y ϕp es el flujo magnético en el estator en el entrehierro para un polo y
una fase. Los valores se supone que varían senoidalmente. También, se asume que
cada polo tiene un régimen de vueltas np por fase en el stator.
De la ecuación de ϕp , el flujo máximo por el entrehierro es:
pn
E
pn
E
s p s p p
∗∗∗=
∗∗∗∗
=ω ω
ϕ 22
2max
donde E es la tensión del estator. Por definición:
max g m g m p B A B A ∗≤∗=ϕ
Asumiendo que el circuito magnético está optimizado, la ecuación anterior nos
da:
maxmax g m p B A ∗=ϕ
Mediante las dos expresiones anteriores de ϕpmax obtenemos la expresión de
Am:
max2 g s pm
B pn
E A
∗∗∗∗=
ω
La corriente que circula por el estator se define como:
donde A se expresa por unidad de longitud (A/m), I es la intensidad de corriente del
estator, y m el número de fases. Combinando las ecuaciones anteriores obtenemos
la velocidad de giro por polo y fase:
I m p
An p ∗∗
∗Π∗=
250
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Obtenemos también:
max
02500
g s
m
B I m p
A E L
∗∗∗∗
∗∗∗Π∗∗=
ω
µ
La potencia aparente de la máquina se define como:
Las dos expresiones anteriores nos dan otra expresión de Lm:
pS B
A E L
g sm
∗∗∗
∗∗∗Π∗∗=
max
202500
ω
µ
Consideremos ahora dos máquinas inductoras, ambas conectadas
directamente el eje del rotor al generador. La primera de ellas tiene 4 polos (p1=2), y
gira a 1500 rpm (con multiplicador), y la segunda tiene 120 polos (p 2=60) a 50 rpm
(conexión directa). Ambas tienen igual frecuencia eléctrica ωs, tensión en el estator,
E, corriente A, potencia aparente S, y densidad de flujo máxima Bgmax. La relación de
inductancias magnéticas para estas dos máquinas es:
60
2
2
1
1
2 == p
p
L
L
m
m
La máquina 2, con mayor número de polos tendrá menor inductancia
magnética, y requerirá mayores corrientes de magnetización. El mayor numero de
polos necesitará por tanto mayor diámetro de rotor (y en consecuencia mayor
volumen). Esto hace que la máquina tenga bajos factores de potencia y por lo tanto,
bajo rendimiento. Para aumentar la potencia, la densidad de flujo del aire debe
disminuir, aumentando el área de circuito magnético Am (máquinas con baja
densidad de corriente de aire que requieren mayor longitud del rotor).
Además, la máquina de inducción proporciona la excitación al rotor a través del
devanado del estator. Por tanto éste debe conducir la potencia activa y la reactiva
necesaria para la excitación del rotor, lo que hace tener mayores pérdidas en el
cobre, y requiere de hilos de cobre de mayor sección, que exige mayor volumen de
la máquina y de las ranuras en el estator.
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Si se intenta llegar a una solución de compromiso entre altas densidades de
par torsor y altos factores de potencia, obtenemos malos resultados (factor de
potencia de 0.67 y rendimiento del 84%), una densidad de par de un 40% menor que
en el caso de generadores asíncronos de potencia equivalente.
Por otra parte, la potencia máxima de estas máquinas se alcanza para un valor
de deslizamiento alrededor del 1%, que es difícil de controlar en una turbina de
viento sin multiplicador de velocidades porque depende de la velocidad del viento,
por lo que al variar éste baja el rendimiento de la máquina. Se podría controlar el
deslizamiento con un freno mecánico para el rotor (que necesitaría una refrigeración
propia) o electrónicamente con tiristores en el circuito del rotor, que permiten regular
el deslizamiento ente el 1 y el 10%.
Por tanto, se pueden construir máquinas de inducción magnética pero al ser la
velocidad de rotación del rotor mucho menor que la frecuencia de la red y no llevar el
aerogenerador multiplicador de velocidad, se necesita un diseño con gran número
de polos, con lo que se obtiene una inductancia magnética baja, baja densidad de
par, bajo factor de potencia y bajo rendimiento. Por tanto, el uso de generadores de
inducción de conexión directa, no se considera una opción correcta en cuanto aturbinas eólicas.
2.3 GENERADORES TIPO SRM (SWITCHED RELUCTANCE
MACHINE)
Este tipo de máquinas siguen un esquema como el de la figura siguiente. Al
igual que la máquina de inducción tampoco monta la excitación del rotor sobre él,
sino en el devanado del estator, que, según algunos estudios, conlleva una
penalización de la corriente de excitación de entre el 35 y el 60%, haciendo que la
relación voltaje/intensidad sea mayor que en otras máquinas, ente ellas la de
inducción. Es decir para la misma diferencia de potencial, se consigue menos
corriente.
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Otros estudios reflejan que para un mismo rendimiento de máquina, las de tipo
SRM son más compactas y un poco más ligeras que las de inducción. Estas
máquinas SRM tienen una construcción bastante robusta.
También se ha llevado a cabo varios estudios comparando diversos tipos de
máquinas SRM (de flujo radial o de flujo transversal) con máquinas de
magnetización permanente de flujo radial (RFPM), máquinas síncronas, para
aerogeneradores de conexión directa, con el resultado de tener un coste similar
para máquinas de menos de 1 metro de diámetro, y mucho mayor las de SRM para
mayores diámetros.
En conclusión, estas máquinas tienen un coste similar o superior, según el
caso, que las máquinas de flujo radial de magnetización permanente y presentan
una relación voltaje / intensidad mayor que ellas, por lo que no parecen ser una
buena apuesta para las turbinas de viento de conexión directa.
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2.4 GENERADORES SÍNCRONOS CON EXCITACIÓN ELÉCTRICA
La alternativa a los tipos de máquinas vistos anteriormente son las máquinas
síncronas, que son las que en la práctica se utilizan en aerogeneradores deconexión directa.
Este tipo de máquinas montan la fuente excitadora directamente sobre el rotor.
Se pueden distinguir dentro de ellas dos tipos de excitación: excitación por bobinas o
excitación por magnetización permanente.
Las máquinas de motor bobinado tienen una gran ventaja frente a las máquinas
de magnetización permanente, y es que la corriente de excitación es regulable, es
decir, su magnetización es regulable más o menos fácilmente, y por tanto se puede
ajustar la tensión en vacío. Ésta es la razón por la que se utilizan en centrales
hidráulicas de velocidad constante conectadas a la red directamente en lugar de
usar magnetización permanente. Sin embargo, en el caso de la generación eólica,
los generadores síncronos se conectan a la red mediante un convertidor electrónico,
por lo que la regulación de la tensión en vacío de la máquina no es una cuestión tan
crítica.
Las máquinas de magnetización permanente tienen sin embargo otra ventaja
que en el caso de aerogeneradores sin multiplicador se aprovechará mejor, por la
siguiente razón: para una densidad de par dada, un mayor número de polos permite
una disminución de volumen (que se traduce en masa y coste) del núcleo del rotor y
de la parte exterior del estator. Es por tanto una filosofía que interesa en este tipo de
aerogeneradores, pues precisamente una razón de eliminar la caja de velocidades
es reducir el peso en la góndola del aerogenerador.
Así, el diseño se decantará por utilizar un numero elevado de polos, lo que
implica que el paso entre polos será reducido si queremos hacer la máquina lo más
compacta posible. Sin embargo, los rotores excitados eléctricamente no se adaptan
bien estas exigencias de pasos de polo pequeño y reducido diámetro, puesto que
para conseguir la misma excitación, si se reduce el paso del polo, hade aumentarse
la altura del mismo, no consiguiendo por tanto una reducción de volumen. Como se
puede apreciar en la siguiente figura, los rotores de magnetización permanente son
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mucho menos voluminosos para una densidad de flujo equivalente que los de
excitación eléctrica.
Máquina síncrona de excitación eléctrica
Máquina sínccrona de magnetización permanente
Se puede relacionar aproximadamente la relación entre las alturas hCur y hPM
mediante la siguiente expresión:
)·(···
)·(·2
0 g Fesat prfill r
g r Fesat
PM
Cur
B Bk J
B B B
h
h
−
−=
τ µ
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constante en ambos casos siendo usual formas redondeadas para conseguir
mejores formas de onda.
Otra desventaja de la excitación eléctrica son las elevadas pérdidas en el cobrepor efecto Joule. Aunque los imanes permanentes también tienen pérdidas por
corrientes parásitas, éstas son mucho menores que las del cobre, que se verán
incrementadas además si el número de polos crece.
Se han hecho algunos estudios en los que se ha calculado el paso de polo
óptimo para cada tipo de máquina en conexión directa, resultando que para la de
excitación eléctrica se encuentra entre 20 y 45 cm, mientras que para la de
magnetización permanente está entre 6.8 y 10 cm. Sin embargo, en estudioshechos sobre grandes máquinas haciendo cálculos globales que incluyan costes de
componentes de rotor y estator, material activo y también pérdidas eléctricas a largo
plazo, resulta que la máquina de síncrona de magnetización permanente tiene un
coste y volumen (peso) menor que la de excitación eléctrica.
De todo lo expuesto anteriormente se justifica la actual tendencia a usar
generadores de magnetización permanente en lugar de motores bobinados en
aerogeneradores de conexión directa entre el rotor de las palas y el de la máquina
eléctrica.
2.5 GENERADORES SÍNCRONOS DE MAGNETIZACIÓN
PERMANENTE
Hemos visto que las máquinas con imanes permanentes se adaptan mejor a
las características buscadas para turbinas de viento con conexión directa. Además
de lo dicho anteriormente, estas máquinas permiten un gran flexibilidad en cuanto a
la disposición de los imanes y por tanto geometría de la máquina. Por ello existen
múltiples configuraciones, de las que veremos algunas a continuación. En general
podemos clasificarlas según distintos criterios:
• Máquina radial o axial: dependiendo de la dirección del vector normal al
entrehierro de la máquina.
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• Núcleo del estator longitudinal o transversal: según la orientación del
conductor de cobre en el estator.
En las máquinas longitudinales, el espacio para el conductor se reduce si elnúmero de polos crece, cosa que no ocurre en la máquina transversal.
• Imanes en superficie o flujo concentrado: dependiendo de la dirección de la
magnetización respecto a la superficie del entrehierro.
• Estator ranurado o sin ranurar: el estator puede ir dentado y las bobinas de
cobre alrededor de los dientes o no tener dientes y montar las bobinasdirectamente en el entrehierro, lo que conlleva un problema para fijarlas en su
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sitio. En máquinas axiales presentan la ventaja de una fabricación mas
sencilla y barata, además de producir menos pérdidas en el hierro. Esto es
interesante para máquinas de alta frecuencia. Sin embargo estos estatores
sin ranuras presentan mayores pérdidas en el cobre debido a corrientes
parásitas de magnetización.
Analizaremos a continuación algunas configuraciones de máquina.
2.5.1 MÁQUINAS DE FLUJO RADIAL
Las máquinas de flujo radial se pueden diseñar con flujo en el conductor de
cobre longitudinal o transversal. El flujo radial-longitudinal en el conductor tiene unadirección paralela al eje del rotor (es el caso de la máquina radial tradicional). El flujo
radial-transversal es normal al eje del rotor.
Todas las máquinas de flujo radial se pueden expresar mediante la siguiente
fórmula:
donde Vg es el volumen del entrehierro, Tem es el par electromagnético de la
máquina, Fem es la fuerza electromagnética del entrehierro, y Ag es su área. El par
producido en aerogeneradores es, por lo general, elevado. La Fem/Ag es la densidad
de fuerza y controla la densidad de potencia en las máquinas de flujo radial.
2.5.1.1 Máquinas de flujo radial-longitudinal
Son las máquinas de magnetización permanente de flujo radial (RFPM)
denominadas convencionales por ser las más comunes de este tipo en la industria
general. Como se puede ver en la siguiente figura,
( ) g emem
g A F
T V
/2∗=
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este tipo de máquinas (RFPM) tiene los dientes del estator tradicionales. El estator
está construido mediante perforaciones y láminas de acero. Los dientes formados en
estas láminas de acero se rellenan de con el conductor, generalmente cobre. El
acero conduce el flujo magnético, y el conductor transmite la corriente. En la figura
podemos ver una máquina trifásica con dos conductores por ranura.La cantidad de material ferromagnético y material conductor se pone
guardando un compromiso entre el flujo y la corriente que circula, deforma que se
aproveche lo mejor posible la corriente en la máquina y su fuerza electromotriz.
La corriente de flujo en una RFPM convencional circula en la dirección que se
muestra en la siguiente figura. En ella se muestra un polo de la máquina RFPM.
Para su explicación se desarrollan el estator y el rotor de una máquina lineal.
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Detalle de un polo de RFPM
Las ranuras y dientes tienen una altura de hs, una inclinación o paso de τ, y un
ancho de diente de bδ. Para un ancho de diente mínimo y una altura de ranura
máxima, obtenemos el óptimo de la máquina.