Energía eólica como alternativa energética en El Ecuador

Abstract

Este archivo trata sobre el beneficio energético que nos puede proporcionar las turbinas Aerogeneradores en el Ecuador, aprovechando el clima que se presenta en el país y los fuertes vientos marítimos que existen en las playas Costeras.

Índex Terms—Energía Eólica, Aerogenerador, Velocidad del Viento, Turbinas, Hélices, Potencia Generador, Kilovatios, Megavatios, Consumo, Centrales eólicas, Medio Ambiente, Aspas, Góndola, Buje del rotor.

Historia de la utilización del viento

La historia del uso del aire como energía probablemente empieza con los barcos quienes usaron el viento de empuje para poder navegar. Hoy en día seguimos viendo su uso de la misma manera, en barcos, etc. Además, en el transcurso del tiempo se han implementado en diferentes áreas como por ejemplo los molinos de viento, los cuales usan la energía del aire para moler grano y recolectar agua. Una tecnología más avanzada que logró aplicar la rotación de las palas para producir la propulsión de los aviones de hélice y de los helicópteros. Como cualquier energía su impulso definitivo fue en 1973 cuando existió la crisis más fuerte del petróleo donde su precio se disparó de tal manera que los países productores amenazaban con dejar de exportar el crudo a quien apoyara a Israel en su lucha contra los palestinos. Cuando sucedió el accidente de Chernóbil esta energía toma más fuerza motivando el uso de energías renovables. Con el transcurso del tiempo se investiga los diversos tipos de molinos, que en la en el presente se denominan aerogeneradores. [3]

Energías Renovables

Energía renovable se lo denomina a toda energía que sea emitida por una Fuente ilimitada, ya sea porque mantiene una gran cantidad de energía almacenada dentro de sí mismo o porque puede renovar su energía mediante los procesos naturales. [8]

Energia Eólica

Es generada por la fuerza del viento, la cual mueve unas aspas conectadas a un generador eléctrico que produce corriente. Es una energía limpia y no es muy costosa de producir, eso explicaría los grandes avances que se hacen en este campo. [9] [5]

Problemas

Su gran problema es su tamaño, convirtiéndose en un problema para instalarlo en casas, también son muy ruidosos además emiten una vibración. [8]

Componentes de un Aerogenerador

Todas las máquinas eólicas constan de los siguientes elementos:

Columna soporte :

La columna debe tener cierta altura tal que evite las turbulencias que genera el viento, además debe aguatar las fuerzas que ejerce el viento en sus palas.

Sistema de captación :

Este sistema de tres palas que giran cuando entran en contacto con el viento. Hoy en día se experimenta con diferentes giros en las palas.

Sistema de orientación :

El objetivo de este sistema es girar al generador para que el viento incida perpendicularmente en las palas para lograr el mejor rendimiento. Este proceso se consigue con motores auxiliares en los grandes generadores como los existentes en la provincia de Loja, los que generan menos de 50KW usan una veleta. Este sistema evita que el generador gire bruscamente con la incidencia y cambio de dirección del viento.

Sistema de regulación :

Su misión es evitar que la velocidad de giro produzca cambios bruscos en el generador, que perjudicarían al aerogenerador, cuando el viento cambie con rapidez. Para lo cual se modificando el ángulo de las aspas con respecto al viento para mantener la velocidad de giro dentro de un rango aceptable.

Sistema de transmisión :

Este sistema nos permite transmitir el movimiento que se genera en las palas al generador eléctrico, sin embargo, el giro que produce el rotor es muy débil por lo que se usa engranajes con ruedas dentadas para aumentar la velocidad de giro a este mecanismo se le llama multiplicador. La corriente producida se puede almacenar en baterías, pero generalmente se lo envía a la red eléctrica por lo que se necesita convertirla en corriente alterna y además elevar su tensión. [2][3]

• Fig. 1. Estructura Interna y Externa de un Aerogenerador[4]

Su construccion

Se compone de: Torre y Cimientos. Los cimientos son planos y profundos, lo suficiente para mantener la turbina eólica, además debe absorber los empujes causados por la vibración y potencia del viento. [11]

Tipos de Construcción

Existen varias formas para la construcción de turbinas.

-Torre Tubular de Acero.

-Torres de Concreto

-Torres de Concreto Prefabricadas

-Torres de Celosía

-Torres Hibridas

-Torres de Mástil tensado con vientos.

Rotor:

El rotor es el alma de todo Aero generador es porque sujeta las palas de las turbinas, donde las mueve mecánicamente y rotacional, transformando el empuje en energía.

Góndola:

Es la parte que cubre y mantiene la maquinaria de la turbina escondida

Caja Multiplicadora:

Acopla altas velocidades con las bajas del generador, además soporta las variaciones del viento.

Generador:

Como su nombre lo dice es el encargado de generar la energía eléctrica.

Freno:

El freno es empleado en el tren de fuerza, donde se necesita un alto coeficiente de fricción, y gran resistencia a la comprensión. [10] [11]

Tipos de Aerogeneradores

Eje Vertical (VAWT)

• Darrieus (1931) – Efficiencia max: 40%

• Fig. 2. Aerogenerador de eje vertical Savonius[8]

• Fig. 3. Aerogenerador de eje vertical Darrieus[8]

• Savonius (1922) – Eficiencia max: 20%

Eje Horizontal (HAWT)

• Vawt – Eficiencia max: 53%

• Fig. 4. Aerogenerador de eje horizontal[9]

Este último presentado en eje horizontal es el más usado en el mundo, gracias a su gran altura el porcentaje de efectividad aumenta mejorando el trabajo realizado esto se da por la forma de sus aspas.

Aerodinámica

Cuando se descubrió esta forma de generar energía no se tomó en cuenta el físico de las palas, por lo que se las construyo de diferentes formas y maneras, con el transcurso del tiempo se estudió las formas de las palas entendiendo la necesidad de contar con diferentes características aerodinámica, como la necesidad de contar con una nariz redondeada y un borde de fuga agudo, en la Figura 5 se describe la nomenclatura usado hoy en día para la construcción de sus palas, un perfil aerodinámico consta de: cuerda, borde de ataque, borde de fuga, espesor y curvatura. [4]

• Fig. 5. Parte de un perfil alar.[11]

Cuando un perfil de aspa se le aplica una corriente de aire, se desarrollan distintas velocidades a ambos

lados del cuerpo, Figura: 6.

• Fig. 6. Flujos de viento.[11]

La velocidad es mayor en la cara superior de la pala, entonces la ecuación de Bernoulli nos dice, a mayor velocidad obtendremos una menor presión, resulta que en la cara superior se obtiene una zona de baja presión que succiona al perfil hacia la parte de arriba. Correspondientemente, en la

cara inferior, en este lugar las partículas de aire se mueven en muy bajas velocidades, se desarrolla una presión alta también empuja a la pala en forma ascendente. La Suma de las presiones ejercidas sobre el perfil da como resultado una fuerza resultante llamada fuerza de presión. [11]

Para poder realizar un estudio exhaustivo de la composición y comprobación de un aspa, se llegó al análisis de las siguientes ecuaciones.

Potencia del viento

• Área del Rotor (A)

• Densidad del Aire (p)

• Rapidez del Viento (V)

P=1/2 pAV^3

Area

A=pr^2

Rapidez de viento

E=1/2*mv^2

Motores Eólicos

Existen lugares con vientos muy rápidos y fuertes donde se puede lograr la implantación de grandes motores eólicos, como por ejemplo las zonas costeras donde existen grandes corrientes de aire, donde los vientos constantemente soplan, para que genere energía es necesario una velocidad mayor a 30 km/h. Existen dos grandes categorías de motores eólicas, estos se diferencian por la disposición de su eje: tenemos el vertical y horizontal. Los de eje horizontal, los ejes se encuentran paralelos al suelo y los de eje vertical, tienen los ejes deben estar perpendiculares al suelo. Los primeros son más utilizados alrededor del mundo, estos exigen una orientación continua de su eje en la dirección del viento; sólo en esta posición las aspas podrán estarán de cara al viento de tal modo, el viento actúa directo sobre las palas de modo permanente.

Las pequeñas turbinas eólicos de eje horizontal se denota por gran número de palas, para lograr funcionar con vientos no tan rápidos y aun así poder lograr generar energía. Los grandes motores eólicos de eje horizontal utilizan en sus hélices tres palas. Los molinos de hélice con el tiempo se han beneficiado de los avances técnicos de la aeronáutica para la realización de palas muy grandes, para así poder suministrar potencias elevadas. Por lo tanto, sólo funciona en su máximo rendimiento cuando existen vientos que alcanzan la velocidad media o fuerte, en cuyo caso ofrecen un excelente rendimiento. Su principal problema es el desgaste mecánico de los elementos estructurales, estos han provocado que palas en diversos motores eólicos experimentales sufran daños. [9]

Circulacion General

Se considera viento a cualquiera masa de Oxigeno en movimiento, esta se da por el efecto de diferentes temperaturas en la tierra, donde el suelo está a una temperatura diferente de la parte superior de esta, convirtiéndose en la fuente de energía eólica. La Tierra obtiene del sol una gran energía que en lugares con características de grandes vientos logra alcanzar los 2000kW=m2 anuales; el 2% de la energía se transforma en energía eólica esta tiene la capacidad de generar una potencia del orden de 1017 kW. [12]

• Fig. 7. Irradiancia solar[12]

La Tierra transforma el calor que emite el sol en la energía cinética del viento, Figura 7. La energía eólica tiene como ventajas la de ser inagotable, gratuita y no agresiva con el medio ambiente, pero cuenta también con los grandes inconvenientes de no ser exacto y su fuerza varia con el tiempo. Cuando existe presión, el aire de nuestra atmósfera cambia con diferentes velocidades a distintos lugares, generando viento. El gradiente aumenta si aumenta la diferencia de presiones y su movimiento viene influenciado por el giro de la Tierra. Las causas principales que originan el viento son los siguiente:

a) La radiación solar, la cual es más importante en el Ecuador

que en los Extremos.

b) Cuando la tierra rota, provoca desviaciones hacia la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el Hemisferio Sur

c) Los efectos que producen las perturbaciones atmosféricas. [10] [12]

Brisas

Una aplicación de las brisas, es la justificación del movimiento del aire-tierra-mar en los lugares costeros, o tierra-agua en los lagos durante el día y la noche, Figura 8; en el pie de las montañas el aire aumenta su temperatura durante el día y se va hacia las alturas, mientras que en la noche el aire frío, baja hacia los amplios valles, Figura 8.

• Fig. 8. Vientos Particulares y Locales [12]

El Recurso Eólico

Velocidad del viento: es un parámetro crítico porque la potencia varía según el cubo de la velocidad del viento. Además, la velocidad cambia directamente con la altitud sobre el nivel del mar, por la fricción causada por montañas, árboles, edificios y otros objetos. Las turbinas eólicas necesitan una velocidad de viento mínima para empezar a girar y generar energía, para pequeñas turbinas, se necesita, aproximadamente, 3.5 (m/s); en turbinas más grandes, se necesita 6 m/s, como mínimo.

• TABLE I.  COMPARATIVA DE LA ENERGÍA CONSUMIDA POR TODOS LOS SECTORES DE CONSUMO ENERGETICO[15]

Densidad del aire: temperaturas muy bajas producen una densidad del aire más alta. Mayor densidad significa más la rapidez de las moléculas en un área de aire dado y más rapidez de las moléculas empujando la pala de la turbina, por lo tanto, produce un mejor rendimiento de la potencia, para una velocidad del viento dada. [12]

Estructura por Zona

Luego de haber revisado los temas de vientos, brisas y estructuras de las aspas, podemos comenzar nuestro estudio basándonos en datos recopilados de lugares tanto de la sierra, como de la costa ecuatoriana.

Sierra

En la parte sierra específicamente hablando de Villonaco (Loja), cuenta con 11 aerogeneradores de 1.5Mw cada uno, además de ser el pionero en el mundo con una velocidad promedio anual de 12.7 m/s, están ubicados a una altitud de 2700 metros sobre el nivel del mar, aportando al Sistema Nacional Interconectado una energía de 158.96 GHz desde su entrada en operación.

Costa

Por el lado de la costa ecuatoriana tenemos a Santa Cruz – Baltra (Galápagos) la cual tiene 3 aerogeneradores de 750Kw cada uno, con estos generadores la isla se satisface de energía eléctrica, para poner en marcha este proyecto, se basó en la conservación de especies de fauna nativa de la isla Galápagos.

Consumo y generación de energía en Ecuador

En la siguiente tabla se va a comparar los niveles de consumo de energía que tiene Ecuador, en los años pasados, con respecto a los censos más actuales a la presente fecha. Los valores de consumo energético son verdaderamente muy altos, con la ayuda de unas granjas eólicos ubicados en zonas estratégicas se podría obtener gran cantidad de energía eléctrica almacenada constantemente con la cual podríamos solventar toda la demanda que exige el país, con la siguiente tabla se dará un valor estimado de viento en los distintos meses que existen, con estos datos se podrá elegir un lugar estratégico para realizar el campo eólico.

• TABLE II.  VELOCIDAD DE LOS VIENTOS EN LOS MESES DEL AÑO [16]

Concluyendo con el análisis podemos darnos cuenta lo importante que es invertir más en investigación sobre el tema de energías renovables, teniendo como objetivo la abolición de las energías dependientes, también tendrías como objetivo tener una ganancia abundante de energía eléctrica y sin dañar el medio ambiente. Como ya nos dimos cuenta el único problema en todo este ambicioso proyecto se da por el gran tamaño de los generadores, donde al ocupar demasiado terreno para su ubicación pone en desventaja otros mercados, reduciendo las zonas habitables. También se debe trabajar en un plan de mantenimiento, como ya se sabe su ingreso es muy dificultosa y peligrosa por lo que se debería buscar la forma de aminorar el riesgo que corren los técnicos en su mantenimiento.

References

• [1] DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA, UNIVERSIDAD DE CANTABRIA, Pedro Fernández Díez

• [2] ENERGÍA EÓLICA, Manual práctico para la construcción de molinos

de viento, Juan Ignacio y Sebastián Urquía Luis

• [3] ENERGÍA EÓLICA, I.E.S. Satafi, Proyecto Comenius 2003-2004

• [4] CONTROL PARA MÁXIMO RENDIMINTO DE GENERADORES

EÓLICOS DE VELOCIDAD VARIABLE, CON LIMITACIÓN DE

VELOCIDAD Y POTENCIA,Grupo de Electrónica Aplicada (GEA),

Universidad Nacional de Río Cuarto, Argentina ,ROBERTO LEIDHOLD

• [5] Manuales sobre energía renovable: Eólica/ Biomass Users Network

(BUN-CA). -1 ed. -San José, C.R. : Biomass Users Network (BUNCA), 2002.

• [6] La Energía, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT). (1990). Editorial CIEMAT.

• [7] Energía Eólica, Antusolar, AntuSolar® Ltda.,

http://www.antusolar.cl/energia-eolica/

• [8] Energía Eólica, Generar Electricidad con el Viento, Heinrich Berg

Hubert Salas Coronel deltavolt.pe

• [9] ENERGÍA DEL VIENTO: Conocimientos Eólicos, Universidad

de Cantabría – Por: PEDRO FERNANDEZ DIEZ,

http://inventhable.blogspot.com/2013/08/energia-del-vientoconocimientos-eolicos.html

• [10] Disenio y Construccion de un Prototipo de Generador Eolico de Eje

Vertical, UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS

FISICAS Y MATEMATICAS, Juan Crist´obal Antezana Nu˜nez

• [11] CÁLCULO Y DISEÑO DE LA HÉLICE ÓPTIMA PARA TURBINAS

EÓLICAS, Bastianon R.A., "Teoria de la Helice para Turbinas Eolicas",

Servicio Naval de Investigación y Desarrollo, Armada Argentina, Junio

1980. ,Ricardo A. Bastianon

• [12] La Energía Eólica En ECUADOR, "Políticas
  y estrategias para el cambio de la matriz energética del Ecuador".
  MEER. Año 2008.

• [13] Proyectos de regeneración Villonaco, Ministerio
  de Electricidad y energía renovable, http://www.energia.gob.ec/villonaco/

• [14] Proyectos de regeneración Islas Baltra-Santa Cruz,
  Ministerio de Electricidad y energía renovable, http://www.ergal.org/cms.php?c=1229

• [15] Balance Energético Nacional, Ministerio coordinador
  de sectores Estratégicos, Ing. Pablo Carvajal

• [16] ENERGÍA EÓLICA EN ECUADOR VISION GLOBAL,
  Ministerio de Electricidad y energía renovable

• [17] Propuesta metodológica para el diseño de
  las aspas de turbinas de viento de eje horizontal, Instituto
  de energía Universidad de Colombia, Juan M. Mejia.

Autor:

Marco Enrique Orellana Guayas,

Josué Leopoldo Arboleda Abad,

Universidad Politecnica Salesiana, Sede Cuenca