Mecanismos para el aprovechamiento eólico: las máquinas eólicas (página 2)

Si el viento no supera la denominada velocidad de puesta en marcha (valor mínimo necesario para vencer los rozamientos y comenzar a producir trabajo útil) no es posible el arranque de un molino. Con velocidades mayores comenzará a girar entregando una potencia que responde a la conocida ley del cubo de la velocidad. Esto será así hasta que se alcance la potencia nominal, generalmente la máxima que puede entregar, punto en que comienzan a actuar mecanismos activos o pasivo de regulación para evitar que la máquina trabaje bajo condiciones para las cuales no fue diseñada. Continuará operando a velocidades mayores, aunque la potencia entregada no será muy diferente a la nominal, hasta que se alcance la velocidad de corte donde, por razones de seguridad, se detiene. Estos parámetros vienen especificados en lo que se denomina las curvas de potencia de la máquina que es un gráfico que muestra el desempeño de la máquina a distintas velocidades de operación. En el ejemplo anterior y en el siguiente gráfico se presenta una curva típica de potencia, así como los puntos de importancia que deben de tenerse en cuenta durante su estudio.

Gráfico 5.26: Rendimiento típico de un aerogenerador pequeño (400 W).

Donde: Va = Velocidad de arranque. Vn = Velocidad nominal. Vc = Velocidad de corte. En cuanto a las máquinas eólicas multipala, estas extraen la energía del viento a través de un rotor y convierte su movimiento rotacional en acción mecánica con algún mecanismo que permite mover una bomba y así producir la acción de bombeo. Es por esto que existen diversas alternativas de disposición de elementos mecánicos para bombear agua con la energía de los vientos, como se vera más adelante.

4.1.2. Clasificación de las máquinas eólicas. Las máquinas eólicas han sido estudiadas por el hombre en forma intensiva y dentro de ellas existen en la actualidad diferentes tipos que van desde pequeñas potencias, a las grandes máquinas americanas y alemanas de varios MW. Son numerosos los dispositivos que permiten el aprovechamiento de la energía eólica, pudiéndose hacer una clasificación de los mismos según la posición de su eje de giro, respecto a la dirección del viento. En las máquinas eólicas de eje horizontal, para obtener en las palas una velocidad angular regular y uniforme ( ? ) para una determinada velocidad del viento V se requiere que tanto la dirección del viento, como su velocidad, se mantengan constantes con respecto a las palas. Por el contrario, en las máquinas eólicas de eje vertical, manteniendo las mismas condiciones regulares en la velocidad del viento y en la velocidad angular de las palas, resulta que éstas pueden estar sometidas a un viento aparente de dirección y velocidad continuamente variables, por lo que en estas máquinas, el flujo aerodinámico resulta ser muy complicado, ignorándose en muchas ocasiones las verdaderas posibilidades de las mismas. Las máquinas eólicas se pueden clasificar en: A. Por su potencia nominal. • Baja Potencia < 3 KW (equivalente eléctrico). • Media Potencia < 30 kW (equivalente eléctrico). • Alta potencia >100 kW (equivalente eléctrico). B. Por la orientación del rotor. • Eje vertical. • Eje horizontal. C. Por el mecanismo de regulación de potencia. • De paso variable. • Vasculación del rotor. • Pérdida aerodinámica de la pala. D. Por el tipo de generador eléctrico. • Generador de corriente continua. • Generador de corriente alterna (síncrono y asíncrono). E. Por el número y tipología de palas. • Bipalas. • Tripalas. • Multipalas. La clasificación más común y difundida de las máquinas eólicas son la de eje horizontal y las de eje vertical. Los molinos de eje horizontal son los más difundidos y los que han permitido obtener las mayores eficiencias de conversión; los diseños más utilizados de este tipo de máquinas eólicas están representados en la siguiente ilustración:

Ilustración 5.28: Máquinas eólicas de eje horizontal.

En su gran mayoría, la conversión de la energía disponible en el eje del rotor en otra forma de energía, se realiza mediante dispositivos ubicados sobre la torre. Tal es el caso de las turbinas eólicas destinadas a la producción de electricidad donde el generador eléctrico, acoplado al eje del rotor a través de un multiplicador, está localizado en la navecilla o góndola. Las denominas máquinas rápidas, con palas de perfil aerodinámico y casi exclusivamente empleadas para generación de electricidad, tiene rotores de 1 a 3 palas que, según los diseños, están ubicados a popa (sotavento) o a proa (barlovento) de la navecilla. Los rotores con palas a popa en principio no requieren de sistemas de orientación pues las fuerzas en juego tienden a orientarlo naturalmente, aunque en máquinas de gran tamaño se prefiere emplearlos para evitar los "cabeceos" que someterían las palas a vibraciones perjudiciales. En el caso de palas a proa los sistemas de orientación son imprescindibles; en molinos pequeños se emplean las clásicas colas de orientación pero en los grandes se prefieren los servomecanismos. Existen diferentes modos de prevenir aumentos descontrolados de la velocidad de rotación del rotor en presencia de vientos fuertes, o de regularla ante condiciones variables de la carga. Ellos van desde el cambio de paso, o "calaje" de las palas, la utilización de "flaps" que se abren y aumentan la resistencia al viento, hasta dispositivos que desplazan el rotor de su orientación ideal logrando que aumenten las pérdidas aerodinámicas. Prácticamente todas las máquinas disponen de dispositivos de frenado para poder detenerlas bajo condiciones extremas de viento o efectuar reparaciones. En las máquinas relativamente pequeñas a veces se evitan estos mecanismos pues resulta más barato diseñarlas para soportar los máximos vientos esperables que adicionar sistemas de frenado. Los rotores multipala, tipo americano, tienen por uso casi excluyente el bombeo de agua. Su alto par de arranque y su relativo bajo costo los hace muy aptos para accionar bombas de pistón. Se estima que en el mundo existen más de 1 000 000 de molinos de este tipo en operación. Las aeroturbinas de eje horizontal se suelen clasificar según su velocidad de giro o según el número de palas que lleva el rotor, aspectos que están íntimamente relacionados, en rápidas y lentas; las primeras tienen un número de palas no superior a 4 y las segundas pueden tener hasta 24. Los principales tipos de máquinas eólicas de eje horizontal, son: • Máquinas que generan un movimiento alternativo, que se utilizan para el bombeo de agua. • Máquinas multipalas. • Hélices con palas pivotantes (ángulo de ataque variable). • Hélices con palas alabeadas, muy sofisticadas, que incluyen clapetas batientes y alerones de ángulo variable. Esencialmente, una máquina multipala como la que se muestra a continuación consiste de: rotor, torre, un sistema de transmisión de movimiento, la bomba misma, un sistema de tuberías para el movimiento de agua y cuando se requiera un tanque de almacenamiento. Dependiendo de la aplicación y de la disponibilidad tecnológica, diferentes tipos de sistemas de aerobombeo se han desarrollado. La elección del tipo de bombas es bastante amplia y se han realizado diseños con bombas de pistón, bombas centrífugas, de tornillo, de ascenso de aire, de mecate, etc.; indudablemente que cualquier combinación depende de la fuente de agua disponible. El tamaño de las aerobombas de acción mecánica directa puede estar entre 1 hasta 8 metros del diámetro del rotor, y dependiendo de la altura de bombeo (cabeza hidráulica) y de las velocidades promedios del viento, la potencia hidráulica promedio puede estar entre unos cuantos vatios hasta cerca de 1 kW. Para demandas hidráulicas mayores se pueden utilizar sistemas eólicos-eléctricos de bombeo, los cuales permiten generar electricidad y a través de una transmisión eléctrica se maneja un motor eléctrico con su respectiva bomba. En el mercado internacional se encuentran disponibles estos sistemas para aplicaciones típicas con demandas hasta de 10 kW. Sin embargo, sistemas de mayor potencia pueden ser también utilizados.

Ilustración 5.29: Máquina multipala (multipala americano).

Los aerogeneradores de eje horizontal tipo hélice como de la siguiente figura, constan de una aeroturbina, de una góndola o navecilla que contiene al generador eléctrico, dinamo o alternador, al sistema de acoplamiento que puede ser a su vez multiplicador del número de revoluciones proporcionadas por la hélice y al sistema de control y orientación; todo esto va montado sobre una torre similar a las de las líneas eléctricas, en la que hay que vigilar con sumo cuidado sus modos de vibración. La hélice puede presentar dos tipos de posiciones frente al viento, como son: a) Barlovento (upwind), en la que el viento viene de frente hacia las palas, teniendo el sistema de orientación detrás, aguas abajo. b) Sotavento (downwind), en la que el viento incide sobre las palas de forma que éste pasa primero por el mecanismo de orientación y después actúa sobre la hélice.

Ilustración 5.30: Aerogenerador de hélice.

Las aeroturbinas lentas (máquinas multipala) tienen un TSR pequeño y gran número de palas; sus aplicaciones van destinadas generalmente al bombeo de agua. Las aeroturbinas rápidas tienen un TSR alto y el número de palas tiende a ser menor. Suelen ser tripalas TSR = 4 y en algunos casos bipalas TSR = 8, habiéndose diseñado y construido, incluso, aeroturbinas con una sola pala. Ampliando lo expuesto en la sección 4.1.1, el proceso de funcionamiento de estas máquinas es diferente, por lo que respecta al tipo de la acción debida al viento que las hace funcionar; en las máquinas lentas (máquinas multipala) la fuerza de arrastre es mucho más importante que la de sustentación, mientras que en las máquinas rápidas (aerogeneradores) la componente de sustentación es mucho mayor que la de arrastre. El número de palas también influye en el par de arranque de la máquina, de forma que una máquina con un rotor con gran número de palas como una multipala requiere un par de arranque mucho mayor. La característica principal de los molinos de eje vertical es que no requieren de sistemas de orientación. Ventaja nada despreciable pues evita complejos mecanismos de direccionamiento y elimina los esfuerzos a que se ven sometidas las palas ante los cambios de orientación del rotor. Por su disposición permite colocar los sistemas de conversión prácticamente a nivel de suelo, evitando pesadas cargas en las torres, como ocurre en los de eje horizontal. Existen dos diseños básicos de rotores de eje vertical: Savonius y Darrieus. El rotor Savonius (ver ilustración 5.32) trabaja esencialmente por arrastre, tiene un alto par de arranque pero su eficiencia es pobre. Por su sencillez y bajo costo es fácil de construir con técnicas artesanales. Se los emplea en aplicaciones que requieren potencias pequeñas como es el caso de los extractores de aire en grandes edificios industriales o depósitos y en bombeo de agua. Los rotores Darrieus (ver ilustración 5.33), inventados por G.J.M.Darrieus en Francia en la década del 20, son actualmente los principales competidores de los de eje horizontal de palas aerodinámicas para la generación de electricidad. Las fuerzas dominantes son las de sustentación, tienen un par de arranque prácticamente nulo, pero entregan potencias altas por unidad de peso del rotor y por unidad de costo. El diseño original de palas curvadas a dado origen a otras configuraciones, tratando de mejorar algunas características constructivas u operacionales. Tal es el caso de la combinación con rotores Savonius para aumentar el par de arranque. Se han concebido y ensayado otros tipos de máquinas eólicas de eje vertical. Tal es el caso de las torres vorticosas en las que se induce una circulación de aire, por el interior de una torre hueca, que succiona aire exterior haciéndolo pasar a través de una turbina ubicada en la base. Un esquema similar siguen las torres en donde el flujo de aire es inducido por calentamiento con energía solar. Estas variantes no han pasado del nivel de prototipo.

Ilustración 5.31: Máquinas eólicas de eje vertical.

Entre las máquinas eólicas de eje vertical se pueden citar: El aerogenerador Savonius, puede arrancar con poco viento, siendo muy sencilla su fabricación; tiene una velocidad de giro pequeña y su rendimiento es relativamente bajo.

Ilustración 5.32: Rotor Savonius.

El aerogenerador Darrieux o de catenaria, requiere para un correcto funcionamiento, vientos de 4 a 5 metros por segundo como mínimo, manteniendo grandes velocidades de giro y un buen rendimiento; se construyen con 2 ó 3 hojas.

Ilustración 5.33: Aerogenerador Darrieux.

El molino vertical de palas tipo giromill o ciclogiro, deriva del Darrieux; tiene entre 2 y 6 palas. El modelo Darrieux arranca mal, mientras que el Savonius se puede poner en funcionamiento con una pequeña brisa; debido a ello se puede hacer una combinación sobre un mismo eje de ambas máquinas de forma que un rotor Savonius actúe durante el arranque y un rotor Darrieux sea el que genere la energía para mayores velocidades del viento. Las ventajas de los aerogeneradores de eje vertical frente a los de eje horizontal, son: • No necesitan sistemas de orientación. • Los elementos que requieren un cierto mantenimiento pueden ir situados a nivel del suelo. • No requieren mecanismos de cambio de revoluciones, por cuanto no suelen emplearse en aplicaciones que precisen una velocidad angular constante. • Las ventajas de los aerogeneradores de eje horizontal respecto de los de eje vertical son: • Mayor rendimiento. • Mayor velocidad de giro (multiplicadores más sencillos). • Menor superficie de pala S a igualdad de área barrida A. • Se pueden instalar a mayor altura, donde la velocidad del viento es más intensa En la siguiente tabla se resumen las características salientes de los rotores eólicos más utilizados.

Tabla 5.11: Características de los rotores eólicos.

(*) Máquinas lentas son aquellas en las cuales la relación entre la velocidad de la punta de pala y la velocidad del viento (TSR) es menor a 2, mientras que en las máquinas rápidas esta relación es superior a 4.

4.1.3. Aplicaciones de las máquinas eólicas. La energía captada por el rotor de una máquina eólica se transforma inicialmente en energía mecánica disponible en un movimiento rotativo. Este movimiento puede utilizarse para impulsar dispositivos que la transformen en otras formas de energía: mecánica, eléctrica, térmica o potencial. Las aplicaciones más efectivas serán aquellas en las que se llega al uso final de la energía con el menor número de transformaciones.

Tabla 5.12: Aplicaciones más usuales de los molinos de viento.

En términos generales, las aplicaciones de las máquinas eólicas pueden subdividirse en dos grandes grupos según el tipo de energía a obtener: energía mecánica o energía eléctrica (Ver tabla 5.12). Este último admite, según el servicio a prestar, tres clasificaciones bien diferenciadas: • Instalaciones aisladas o remotas. • Sistemas híbridos diesel-eólicos. • Sistemas interconectados a las redes de distribución de energía eléctrica. Cada una de estas aplicaciones tiene características particulares que condicionan tanto el tipo de máquina a utilizar como sus sistemas auxiliares.

4.1.3.1. Generación de electricidad. Para obtener electricidad a partir del viento es necesario accionar máquinas que, por arrancar prácticamente en vacío no exigen al rotor eólico un gran par de arranque. Si a esto agregamos las mayores eficiencias de los rotores rápidos, es fácil comprender porqué son los que se emplean casi con exclusividad para generación de electricidad. Los generadores eléctricos pueden ser de corriente continua (dínamos) o de corriente alterna, existiendo en este último caso dos tipos: generadores sincrónicos o alternadores y generadores asincrónicos o de inducción. Las dínamos tienen el inconveniente de utilizar escobillas, que exigen mantenimiento periódico, y son más pesadas y caras que los generadores de corriente alterna (C.A.) de igual potencia; aunque tienen la ventaja de no necesitar de sistemas especiales para cargar baterías, su uso se ha ido abandonando reemplazándolos por los generadores de C.A., con la excepción de algunos equipos para proveer muy bajas potencias, de construcción artesanal. El tipo de generador de C.A. que se utilice depende fundamentalmente de las características del servicio a prestar. Como regla general puede decirse que los alternadores son mayoritariamente usados en máquinas que alimentan instalaciones autónomas y los generadores de inducción en turbinas eólicas interconectados con otros sistemas de generación. Esto es así pues los generadores de inducción tienen la enorme ventaja de que, una vez en marcha y conectados a las líneas de distribución, giran a una velocidad constante impuesta por la frecuencia de la red, entregando más o menos energía según la intensidad del viento, pero siempre rotando al mismo número de revoluciones. En otras palabras, los aerogeneradores no requieren de costosos sistemas de regulación de velocidad, ventaja a la que se adiciona la apreciable diferencia de costos entre un generador asincrónico y un alternador de la misma potencia. Es importante destacar que los generadores asincrónicos necesitan tomar energía de la red para mantener la corriente de magnetización; de interrumpirse esta conexión la máquina debe ser frenada para evitar su aceleración. Los generadores sincrónicos, aunque tienen un mayor rendimiento potencial, deben operar a velocidad constante si se quiere mantener fija la frecuencia. El mantenimiento del número de revoluciones, acorde con la frecuencia de línea, es función exclusiva del motor que los impulsa (en nuestro caso el rotor eólico), siendo necesario elaborados sistemas de control. Distinto es el caso de las aplicaciones en que la única fuente de abastecimiento es el aerogenerador. En ellos el uso de generadores sincrónicos es casi obligado, pero no tan crítico el mantenimiento de la frecuencia de la C.A. generada, pues, por lo general, los equipos a alimentar toleran variaciones en la frecuencia. Es un hecho también que la variabilidad del recurso exige, en muchas instalaciones aisladas, acumular energía en baterías y desde ellas alimentar la demanda. En estos casos la frecuencia no tiene ninguna importancia pues habrá rectificadores que transformaran la C.A. en corriente continua (C.C.). Es obvio entonces que la utilización de alternadores responde en estos casos a la búsqueda de menores costos y mejores rendimientos y no a una característica del servicio. El acoplamiento entre rotor eólico y generador se realiza a través de una caja multiplicadora. Su empleo es necesario pues a medida que crece el diámetro deben limitarse las r.p.m. del rotor para evitar que las puntas de las palas trabajen a velocidades que comprometan la resistencia de los materiales empleados o induzcan vibraciones perjudiciales. Por otra parte, los generadores comerciales requieren girar a velocidades que están entre las 1000 y las 3000 r.p.m., dependiendo de sus características constructivas y la frecuencia a obtener.

4.1.3.1.1. Instalaciones remotas o aisladas. Configuración y características de los generadores eólicos aislados. La configuración típica de un sistema autónomo está representada en la ilustración 5.34. Las potencias van de 0,15 hasta 10 kW. Se emplean rotores de eje horizontal habiendo máquinas de paso variable y de paso fijo. Se prefieren estas últimas pues presentan menos problemas de mantenimiento aunque en este caso serán necesarios dispositivos que la protejan ante vientos muy fuertes. Las soluciones adoptadas van desde sistemas excéntricos que "desalinean" al aerogenerador de su posición enfrentada al viento a sistemas de frenado que evitan que la palas giren en condiciones adversas. En la gran mayoría de los casos se emplean generadores sincrónicos de imán permanente y la acumulación se realiza en baterías de plomo-ácido. Para alimentar equipos que requieran C.A. desde las baterías es necesario utilizar convertidores de C.C. a C.A., llamados inversores. Se han implementado sistemas autónomos para los más variados usos: alimentación de repetidoras de TV y telefonía, faros, instalaciones domiciliarias, etc. En todos ellos pudo demostrarse la factibilidad técnica. Estudios comparativos realizados en varios países indican que los aerogeneradores son económicamente competitivos con otros sistemas de abastecimiento eléctrico aislado cuando se trata de potencias no muy superiores a los 5 kW y el recurso eólico es abundante. Otros estudios indicaron que en el caso de electrificación rural puede competir, bajo ciertas condiciones, con la conexión a las redes. Se estimó que para demandas domiciliarias de aproximadamente 400 kWh/mes y velocidades de viento superiores a 4 m/s la generación eólica podía competir con el tendido de líneas más allá de los 5 km. Tomando en cuenta que en el mundo aproximadamente 1.500 millones de personas no tiene acceso a los servicios eléctricos centralizados y que existe un sinnúmero de requerimientos de baja potencia, el mercado potencial para la generación eólica autónoma es sumamente amplio y promisorio.

Ilustración 5.34: Esquema típico de un sistema eólico para uso residencial.

Una aplicación alternativa de este tipo de sistemas es el bombeo de agua, utilizando una bomba eléctrica de desplazamiento positivo. La instalación consistirá en el aerogenerador, su equipo de regulación y monitorización y una bomba de desplazamiento positivo especialmente adaptada para funcionar directamente conectada al equipo de regulación del aerogenerador. La siguiente ilustración muestra un sistema de este tipo:

Ilustración 5.35. Sistema eólico aislado para el bombeo de agua.

4.1.3.1.2. Sistemas híbridos o mixtos. Pequeñas turbinas eólicas brindan una solución atractiva para la electrificación rural en muchos lugares, por su operación económica y simple. Sin embargo, la fluctuación del viento no permite obtener una producción de electricidad constante. Por esta razón, frecuentemente, se usa una turbina eólica en combinación con otra fuente de generación; por ejemplo, paneles fotovoltaicos o un generador eléctrico a base de diesel. Este tipo de sistema se llama un "sistema híbrido". La mayor ventaja de un sistema híbrido es que provee mayor confiabilidad para la generación eléctrica comparado con uno individual.

Ilustración 5.36: Sistema híbrido eólico – diesel.

En ciertas regiones del mundo, particularmente islas y países en desarrollo, se dan condiciones demográficas, geográficas o económicas que limitan la posibilidad de brindar abastecimiento eléctrico desde las redes interconectadas nacionales. Esto ha dado origen a la instalación de una gran cantidad de pequeñas redes aisladas, alimentadas, por lo general, con generadores diesel. Debido al pequeño tamaño de las instalaciones o a su ubicación aislada, los costos de generación son apreciablemente más altos que los de los sistemas interconectados. Costos operativos en el rango de 1,5 a 4 centavos de $US/kWh son usuales en la generación en gran escala, mientras que valores entre 5 y 20 centavos de $US/kWh, y aún mayores, son típicos en instalaciones aisladas. Si se toma en cuenta que en lugares con buen viento se puede generar energía eléctrica en el rango de 5 -15 centavos de $US/kWh, la operación en paralelo de aerogeneradores y equipos diesel surge como una alternativa interesante. Hasta ahora, prácticamente todas las instalaciones Diesel-Eólicas fueron hechas con fines de demostración y están en un nivel de desarrollo que podríamos catalogar como prototipo. Si bien existe suficiente información sobre cada uno de los componentes, los datos operativos acumulados de instalaciones completas no son muy abundantes ni cubren períodos prolongados de funcionamiento. Los resultados son muy alentadores aunque todavía insuficientes para permitir el paso a una escala comercial comparable a la dada en los sistemas aislados o en los interconectados a las redes. Una estrategia que se ha comenzado a emplear en los sistemas diesel-eólicos relativamente pequeños (5 – 15 kW) es la de incorporar acumulación en baterías y sólo emplear el generador diesel para recargar baterías y haciéndolo operar en el punto de máxima eficiencia. En estos casos el costo de la acumulación es compensado por el menor costo operativo del motor diesel. La combinación de energía eólica con paneles fotovoltaicos es muy apropiada para zonas aisladas porque no requiere del transporte de combustibles fósiles y, en muchos lugares, la disponibilidad del viento complementa la del Sol, así también se puede realizar combinaciones con sistemas hidroenergéticos o a biogás.

Ilustración 5.37: Sistema híbrido eólico – solar fotovoltaico en red aislada.

Los sistemas híbridos son especialmente buenos para la electrificación de comunidades y para usos productivos como el procesamiento de productos agrícolas, porque estas aplicaciones, generalmente, requieren un servicio eléctrico más confiable y estable. Otra forma de utilizar los sistemas híbridos es conectados a red es a través de un arreglo mixto entre conexión a red y un sistema híbrido tal como se muestra en la siguiente ilustración:

Ilustración 5.38: Esquema de un sistema híbrido conectado a red.

Otra forma interesante de utilizar un sistema híbrido es el caso de un sistema eólico – hidroeléctrico. Como se muestra en la siguiente ilustración, se trata del caso de un aerogenerador que genera energía eléctrica para que sea utilizada por la bomba centrífuga, la cual lleva la cantidad necesaria de agua al reservorio de la central hidroeléctrica, para que seguidamente sea transformada en energía eléctrica mediante el grupo turbina – generador. Esta es una forma ingeniosa de resolver el problema de un bajo caudal de agua o de una baja velocidad del viento para instalar solamente un sistema eólico o solo un sistema hidroeléctrico.

Ilustración 5.39: Esquema de un sistema eólico para abastecimiento de agua a una central hidroeléctrica.

4.1.3.1.3. Aerogeneradores acoplados a las redes eléctricas. Al margen de algunas experiencias aisladas como la del aerogenerador de 100 kW nominales instalado en Balaclava, URSS, que operó entre 1931 y 1942 o el aerogenerador de 1,25 MW instalado en Grandpa's Knob, Vermont, USA en 1940, es a partir de comienzos de la década del 80 que la utilización del recurso eólico para generación de energía eléctrica experimentó un salto cualitativo y cuantitativo espectacular.

Ilustración 5.40: Esquema de instalación eólica de baja potencia con conexión a red

Esta es la aplicación actual más significativa de los aerogeneradores desde el punto de vista del total de energía generada. Países como Estados Unidos de América y Dinamarca, por mencionar los casos más destacables, han incentivado la generación eléctrica de origen renovable favoreciendo la implantación de los llamados parques o plantas eólicas. Países como EEUU de Norteamérica, Dinamarca y Alemania, entre otros, han promovido la instalación de grandes máquinas conectadas a las redes eléctricas, estimándose en la actualidad unos 25000 aerogeneradores conectados a las redes.

Ilustración: 5.41: Parque eólico offshore de Middelgrunden en Dinamarca.

Si bien las crisis petroleras de la década del 70 influyeron, en gran medida, en el desarrollo de nuevas tecnologías energéticas, su real penetración en el mercado de la generación eléctrica no hubiera sido posible sin la creación de un marco legal, económico y político favorable para las inversiones del sector privado, como lo es la ley PURPA en los Estados Unidos de América. Es muy importante destacar este aspecto pues hay muchas regiones en el mundo donde existen condiciones climáticas iguales, o mejores, a las de Dinamarca o EE.UU. pero, sin un marco adecuado, estas inversiones son impensables. Los aerogeneradores de tres palas son quienes dominan el mercado actual de tecnología (solo 3% son Darrieus o bipala). Con potencias que van desde los 50 a algo más de 1 MW, se producen en escala totalmente comercial. La gran mayoría utilizan generadores asincrónicos. El tamaño de las máquinas ha ido creciendo con el desarrollo tecnológico; a comienzos de la década del 80 eran usuales potencias entre 30 y 100 kW, actualmente la mayoría de las máquinas que se están instalando tienen potencias entre 400 kW y 1 MW. Hasta el año 2000 la mayor máquina de eje horizontal construida tenía 3,2 MW nominales (100 metros de diámetro) y está en operación en Hawai desde 1987, actualmente la mayor máquina

Tabla 5.13: Costos de generación de diferentes centrales eléctricas.

El costo de la energía generada es comparable a muchos sistemas de generación convencional. Los valores de la tabla 5.13 son el resultado de un estudio realizado por la Comisión de Energía del Estado de California en 1988. Los costos de instalación son también comparables y están en el orden de 1000 – 1200 $US/kW. Los factores de utilización oscilan entre 15 y 30%, dependiendo del lugar de instalación y del tipo de máquinas. Con el mejoramiento del diseño de los rotores y, sobre todo, con el desarrollo de metodologías para localizar parques eólicos y aerogeneradores, los factores de utilización en las nuevas instalaciones tienden a ubicarse en el orden del 30%, valor que se aproxima al de muchas centrales hidráulicas. El estado de California, EE.UU., fue una región piloto para el desarrollo de los parques eólicos. Actualmente en las regiones de Altamont Pass, Tehachapi y San Gorgonio funcionan unos 14.500 molinos entregando más de 2.300 millones de kWh en las redes eléctricas, equivalente a la demanda residencial de una ciudad como San Francisco y economizando unos 430.000 m3 de petróleo por año. El más importante de los parques, Altamont Pass, tiene aproximadamente 7300 aerogeneradores entre 40 y 750 kW y fue desarrollado por una veintena de empresas utilizando máquinas de distintos orígenes pero en su gran mayoría norteamericanas y dinamarquesas.

4.1.3.1.4. Obtención de energía mecánica. Estas aplicaciones, típicamente autónomas, fueron históricamente las primeras y se las destinó a mover todo tipo de máquinas. La invención de los motores de combustión y del generador eléctrico (y el desarrollo de los sistemas de distribución) originaron su paulatino reemplazo por motores más controlables y estables en el tiempo. En el caso de los molinos de viento destinados al bombeo de agua ocurrió un proceso similar al implementarse la electrificación rural, sobre todo en los países más desarrollados. Del total de 6 000 000 de molinos producidos en los EE.UU. hasta comienzos del siglo XX solo 150 000 quedan en operación en nuestros días. En regiones menos desarrolladas, el bombeo de agua con máquinas eólicas continuó siendo en muchos casos la única alternativa económicamente viable. En islas de Grecia, donde aún se utilizan los molinos con palas de tela, y en la llamada pampa húmeda de Argentina y en las grandes llanuras australianas, donde se impusieron los molinos multipala tipo americano, las máquinas eólicas pueden contarse de a miles.

Ilustración 5.42: Sistema eólico para el bombeo mecánico de agua.

La tecnología de aerobombeo ha sido materia de estudio y desarrollo de algunas soluciones interesantes, particularmente desde 1980 donde algunas soluciones son realidades comerciales y disponibles en el mercado. Sobra mencionar que equipos tradicionales de aerobombeo directo como los molinos multipala americanos, han tenido poco desarrollo en años recientes, ya que estos equipos han demostrado su viabilidad y robustez desde principios del siglo XX. El tipo de solución técnica al problema de aerobombeo depende de la disponibilidad del recurso hidráulico, ya que su localización determina la estrategia de bombeo. En este sentido se distinguen dos situaciones prácticas, a saber: aerobombeo directo y aerobombeo remoto. La primera situación de bombeo ocurre cuando la fuente de agua es un pozo o aljibe y la solución de aerobombeo es la aplicación de bombeo directo en el cual el molino se coloca directamente sobre la fuente de agua. Este tipo de instalación es la más común de las aplicaciones de aerobombeo. (Ver Ilustración 5.42). Una variante de esta aplicación puede ser cuando la bomba esta extrayendo agua de un río y la bomba hidráulica puede ser localizada en la base de la torre y la acción de bombeo de realiza lateralmente. La Ilustración 5.43 resume estos tipos de instalaciones.

Ilustración 5.43: Figura 2 Configuración típica de aerobombeo directo. (Tomado de: Gipe, P. Wind Power for Home & Business, 1993)

La segunda opción, la de aerobombeo remoto, consiste en el tipo de solución, en la cual la fuente de agua se encuentra apartada de la posible localización de la torre de la aerobomba. Esta situación es típica de regiones montañosas en las cuales el recurso eólico tiene mayor intensidad en la cima de las montañas y la fuente de agua es un río, un pozo o aljibe que se encuentra a gran distancia, tanto lateral como vertical. Dependiendo del tipo de instalación, sea directa o de bombeo remoto, se han desarrollado esquemas de bombeo en la cual se incluyen transmisiones de movimiento de diversas formas. Por lo tanto cada solución determina el tipo de bomba hidráulica que se puede utilizar. En lo que va del siglo XX, los molinos destinados al bombeo de agua no fueron objeto de desarrollos significativos. Las máquinas más utilizadas en la actualidad (multipala), con excepción de la incorporación de nuevos materiales, no difieren en mucho de las desarrolladas hace más de 100 años. Actualmente se están estudiando máquinas con acoplamiento directo a bombas centrífugas, salto tecnológico importante que podría permitir la extracción de mayores volúmenes de agua y alcanzar mayores profundidades que las permitidas por las bombas de pistón. Una forma más detallada y resumida de las aplicaciones de la energía eólica se muestra en la siguiente ilustración:

Ilustración 5.44: Aplicaciones de la energía eólica.

Las turbinas eólicas (aerogeneradores) han experimentado durante los últimos 20 años un desarrollo significativo. Se han mejorado los rendimientos, ha aumentado la confiabilidad y se han reducido los costos. El único punto sobre el que quedan algunas dudas es la durabilidad. Si bien en los cálculos se acostumbra tomar 20 años de vida útil, por el momento, ninguna de las máquinas actualmente en operación ha alcanzado ese tope. La industria es aún demasiado joven y debe esperar unos 10 años más para demostrar con los hechos que esa meta es alcanzable; las tecnologías y materiales empleados dan un margen de confianza razonable. Tanto en el campo de las pequeñas potencias como en el de los sistemas conectados a las grandes redes de distribución, la energía eólica puede competir, si las condiciones son adecuadas, con los sistemas convencionales de generación. Sus limitantes más importantes son, quizás, el desconocimiento que muchos tienen de esta realidad y la falta de incentivos para la realización de inversiones en el sector.

4.1.4. Descripción de las máquinas eólicas. Una máquina para la captación de la energía del viento es un sistema mecánico, constituido por un conjunto de elementos agrupados en subsistemas, que es capaz de tomar la energía cinética del viento y transformarla en otro tipo de energía (mecánica, eléctrica, etc.) para ser usada directamente, o almacenada para su empleo posterior. En la siguiente ilustración se muestra esquemáticamente el conjunto de subsistemas que conforman una máquina eólica generadora de electricidad (aerogenerador) y una máquina eólica generadora de energía mecánica (aerobomba).

Ilustración 5.45: Conjunto de subsistemas que conforman a una máquina eólica.

4.1.4.1. El sistema eólico. El sistema eólico está formado por un conjunto de subsistemas que interaccionan entre sí para el buen funcionamiento de la máquina, basaremos nuestra descripción en función a las máquinas eólicas rápidas o aerogeneradores por ser las que presentan el sistema completo. El sistema eólico esta conformado por: a) Subsistema de captación b) Subsistema de orientación c) Subsistema de regulación y control d) Subsistemas de transmisión e) Subsistemas de aprovechamiento f) Subsistema de sustentación Antes de entrar al estudio del sistema eólico observemos con detalle las siguientes ilustraciones, que muestran la diferencias constructivas entre una máquina eólica para generar electricidad (ilustración 5.46) y una máquina eólica para bombeo (ilustración 5.47).

Ilustración 5.46: Esquema típico de un generador eólico actual.

Ilustración 5.47: Esquema típico de una máquina eólica para bombeo (aerobomba).

Las componentes principales de un sistema de aerobombeo son: el rotor eólico (subsistema de captación), el cual extrae la energía cinética del viento y la convierte en energía rotacional. La energía rotacional mecánica en el eje del rotor eólico es convertida en un movimiento oscilatorio ascendente-descendente a través de la transmisión (subsistema de transmisión). Esta puede tener una caja de reducción de velocidad (subsistema de regulación y control) y un sistema biela-manivela (subsistema de transmisión) para excitar el vástago que mueve la bomba de pistón (subsistema de aprovechamiento) o simplemente con acción directa sin reducción de velocidad. Todo este conjunto esta soportado por una torre (subsistema de sustentación) y generalmente esta provisto con un sistema de seguridad (subsistema de regulación y control) para evitar operación de la aerobomba en condiciones de extremas de velocidad de viento, para su protección. Existen componentes adicionales y las cuales juegan un papel importante en la acción de bombeo como es el sistema de tuberías para ascenso y distribución de agua (subsistema de aprovechamiento) y dependiendo de la instalación se requiere de un tanque de almacenamiento de agua. En el caso de un sistema eolo-eléctrico, es sabido que la energía rotacional del eje del rotor eólico alimenta un generador eléctrico, generalmente un generador de imanes permanentes en sistemas pequeños, el cual produce energía eléctrica. Componentes adicionales como controles electrónicos de carga, baterías, cables son requeridos en estos sistemas. En función de la estrategia de emplazamiento de la aerobomba, existen elementos adicionales como los sistemas de transmisión hidráulica, neumática, etc., los cuales imprimen cierta complejidad a la solución de aerobombeo. Como se menciono anteriormente, algunas estrategias de aerobombeo no son totalmente confiables, aunque algunas de estas sean comerciales. Debe tenerse en cuenta que los sistemas convencionales de aerobombeo tienen la ventaja de trabajar desatendidos por largos periodos de tiempo y algunos de estos sistemas como el aerobombeo remoto neumático ó hidráulico requieren de permanente supervisión, para un satisfactorio funcionamiento.

4.1.4.1.1. Subsistema de captación. El subsistema de captación lo constituye la rueda o turbina eólica propiamente dicha. Su misión es transformar la energía cinética del aire en energía mecánica (giro de un eje, con una cierta potencia). Como ya vimos en la clasificación general de las máquinas eólicas, la posición del eje que soporta la rueda eólica determina una primera clasificación de estas máquinas en: máquinas de eje horizontal y de eje vertical.

Ilustración 5.48: Construcción típica de una pala de aerogenerador. A su vez, cada uno de estos grupos se subdivide en otros grupos, según la forma de las palas o elementos de captación. Así se tienen de nuevo dos grupos: a) Con palas de sección constante (normalmente, con forma de chapas, planas o curvadas). b) Con palas de sección variable (de perfil aerodinámico tipo "ala de avión"). Por otro lado, los diferentes arreglos señalan otras diferencias, como pueden ser: • Número de palas en la rueda (monopala, bipala, tripala, multipala). • Número de ruedas de la máquina (Bihélice, multirotor). • Posición de la rueda respecto del viento (rotor a barlovento y rotor a sotavento). Finalmente, el material y la construcción de las palas también señalan importantes diferencias, según sean de tela, madera, acero, fibra de vidrio o de carbono u otras combinaciones, y también según se resuelva su construcción estructural: pala maciza, hueca con cuadernas, etc. Los rotores eólicos utilizados en aerobombas, generalmente deben estar provistos de muchas palas (rotor multipala) debido a que son equipos de baja velocidad y requieren de fuerzas altas para realizar la función de bombeo. Es por esto que rotor multipala americano pueden llegar a tener 12, 18, 24 ó aún 36 palas (ver ilustración 5.49). Estos rotores se conocen técnicamente como rotor eólico de alta solidez, baja velocidad y alto momento par en el eje.

Ilustración 5.49: Rotor multipala de aerobomba y detalle de los álabes.