Indice
1.
Introducción
2. Aerogeneradores
3. Complementos para la
utilización de energía
eólica.
4. Dispositivos De
Almacenamiento.
5. Control del estado
de la carga de la batería de acumuladores. circuitos
asociados (Control manual).
6. Valores de las
tensiones de final de carga y descarga.
7. Utilización
de la energía eléctrica de origen
eólico.
8. Sistemas
Híbridos Eólico-Solar
9. Conclusiones de la
energía eólica
10.
Bibliografia.
El perfeccionamiento del tradicional molino de viento ha
dado lugar a modernos aeromotores que aprovechan la
energía eólica para generar electricidad.
Estos aeromotores pueden instalarse aislados o bien en
agrupaciones que aportan energía a las redes de distribución. Sin embargo, el viento tiene
dos características que lo diferencia de otras
fuentes
energéticas: su imprevisible variabilidad y su
dispersión. Ello obliga a sutiles perfeccionamientos en el
diseño
de las palas y el sistema de
control que
regula las revoluciones por minuto, para evitar velocidades,
excesivas durante los vendavales y orientar el rotor hacia la
posición más favorable. La fuente de energía
eólica es el viento, o mejor dicho, la energía
mecánica que, en forma de energía
cinética transporta el aire en movimiento. El
viento es originado por el desigual calentamiento de la
superficie de nuestro planeta, originando movimientos conectivos
de la masa atmosférica. La Tierra
recibe una gran cantidad de energía procedente del Sol.
Esta energía, en lugares favorables, puede ser del orden
de 2.000 Kwh/m2 anuales. El 2 por ciento de ella se transforma en
energía eólica con un valor capaz de
dar una potencia de
10E+11 Gigavatios. En la antigüedad no se conocían
estos datos, pero lo
que sí es cierto, es que intuitivamente conocían el
gran potencial de esta energía. Las formas de mayor
utilización son las de producir energía
eléctrica y mecánica, bien sea para autoabastecimiento
de electricidad o
bombeo de agua. Siendo
un aerogenerador los que accionan un generador eléctrico y
un aeromotor los que accionan dispositivos, para realizar un
trabajo mecánico. Partes de un aerogenerador:
Cimientos, generalmente constituidos por hormigón
en tierra, sobre
el cual se atornilla la torre del aerogenerador. Torre, fijada al
suelo por los
cimientos, proporciona la altura suficiente para evitar
turbulencias y superar obstáculos cercanos; la torre y los
cimientos son los encargados de transmitir las cargas al suelo. Chasis, es
el soporte donde se encuentra el generador, sistema de
frenado, sistema de orientación, equipos auxiliares
(hidráulico), caja de cambio, etc.
Protege a estos equipos del ambiente y
sirve, a su vez, de aislante acústico. El buje, pieza
metálica de fundición que conecta las palas al eje
de transmisión. Las palas, cuya misión es
la de absorber energía del viento; el rendimiento del
aerogenerador depende de la geometría
de las palas, interviniendo varios factores:
- Longitud
- Perfil
- Calaje
- Anchura
Sistemas de un aerogenerador:
Orientación, mantiene el rotor cara al viento, minimizando
los cambios de dirección del rotor con los cambios de
dirección de viento; Estos cambios de
dirección provocan pérdidas de rendimiento y genera
grandes esfuerzos con los cambios de velocidad.
Regulación, controla la velocidad del
rotor y el par motor en el eje
del rotor, evitando fluctuaciones producidas por la velocidad del
viento.
Transmisión, utilizados para aumentar la velocidad de giro
del rotor, para poder accionar
un generador de corriente
eléctrica, es un multiplicador, colocado entre el
rotor y el generador.
Generador, para la producción de corriente continua (DC)
dinamo y para la producción de corriente alterna
(AC) alternador, este puede ser síncrono o
asíncrono.
Hipotesis.
"Es posible, aprovechar la energía eólica, en el
altiplano, como un medio alternativo de abastecimiento interno de
energía
eléctrica a mediana escala dentro las
fronteras de la población rural."
Energia accesible.
Los aerogeneradores, tienen diversas aplicaciones
específicas, ya sea eléctricas o de bombeo de
agua, mediante
el aprovechamiento y transformación de energía
eólica en energía mecánica. Se entiende por
energía eólica a los vientos que existen en el
planeta producto de
fenómenos que se estudiaran más
adelante.
Esta energía, es inagotable, no contamina; y
aunque la instalación de uno de estos aparatos es
relativamente costosa y morosa, a la larga se sentirán los
resultados positivos, especialmente en el campo económico.
Un punto que vale hacer notar, es la autonomía frente a la
fuente más cercana accesible, que en este caso es la Empresa
Nacional de Energía (ENDE. Esta última no siempre
se presenta en los pueblos alejados, por el costo que supone
instalar una red hacia
aquellos).
Historia de los aerogeneradores.
Es importante destacar e interesante además, algunas
fechas dentro de la tecnología
eólica y de la utilización de aeromotores. En el s.
V a. C. se encuentran los primeros aeromotores en Asia: son
máquinas de eje vertical iguales a las
denominadas panemonas de algunas islas griegas. Más o
menos por la misma época, en Egipto se
utilizaban molinos de eje vertical para moler grano y bombear
agua, también en la zona de Sijistán entre
Irán y Afganistán.
Todos estos molinos tenían el mismo principio:
transformar la energía eólica en energía
para el bombeo de agua y la molturación del grano entre
otras.
En el siglo VII d.C. se da origen a los primeros
modelos
rústicos de los clásicos molinos holandeses que hoy
en día son mecánicamente sofisticados. O los
aeromotores para el bombeo de agua que progresa con la
invención de las multipalas en 1870 por los americanos.
Fue en el año 1802 cuando Lord Kelvin trató de
asociar un generador eléctrico a un aeromotor para la
producción de energía eléctrica.
Hacia el año 1920 la energía eólica
obtiene cierto éxito,
pues habían trescientos constructores de estos aparatos.
El estudio en los campos de la aerodinámica
permitió alcanzar enormes progresos en los aeromotores,
esto hasta el año 1961; desgraciadamente en ese año
el precio del
petróleo
bajó, poniendo al kilowatt "eólico" a precios
inaccesibles. Todas las máquinas
fueron desmontadas y vendidas al precio de
chatarra.
Desde el año 1973 ocurre el proceso
inverso, impulsando programas de
estudio y realización de aerogeneradores. La demanda en
países industrializados es mínima. Pero no obstante
la demanda en
países tercermundistas aumentó de nivel, esto por
el obvio bajo costo de
producción e instalación de estos aparatos en
comparación a las ganancias retribuidas.
Distintas clases de aeromotor.
Se definen en general, los aeromotores según la
posición de su eje de rotación, con relación
a la dirección del viento.
Así se dividen en:
- Aeromotores de eje horizontal.
- Con el eje paralelo a la dirección del
viento. - Con el eje perpendicular a la dirección del
viento. - Aeromotores de eje vertical.
- Aeromotores que utilizan el desplazamiento de un
móvil.
Aeromotores de eje horizontal.
Eje paralelo a la dirección del viento. Son las
máquinas más difundidas, y con rendimiento superior
a las demás. Incluyen aquellas de 1,2,3 o 4 palas,
además de las típicas multipalas para el bombeo de
agua. Debemos distinguir aquellas de "para el viento" y aquellas
que tiene sus palas situadas de "espalda al viento". Los
aerogeneradores, generalmente van provistos de rotores bipala o
tripala (cara al viento), para potencias inferiores a 1 kW
(P<1 kW). Y de espaldas al viento para potencias superiores a
1 kW (P>1 kW). Eje horizontal perpendicular a la
dirección del viento. Los aerogeneradores más
significativos de eje perpendicular a la dirección del
viento, son los de perfil oscilante y el sistema de
captación con palas batientes. Estos sistemas se han
estudiado ampliamente, también se construyeron prototipos;
pero presentan más inconvenientes que ventajas; en
especial necesitan sistemas de
orientación igual a los de eje horizontal paralelo al
viento. La recuperación de energía es en
generalmente complicada y no presenta un buen
rendimiento.
Aeromotores de eje vertical.
Son presumiblemente, las primeras máquinas que se
utilizaron para la captación de energía
eólica, ya que son más sencillas
que las de eje horizontal; no necesitan ningún sistema de
orientación. Lo que constituye una ventaja constructiva.
En funcionamiento las palas, los rodamientos y los ejes, no
están sometidos a esfuerzos importantes por cambios de
orientación. Son de fácil construcción. El rendimiento es mediocre
(el rotor Savonius un 20% del límite de Betz). No se
experimentó un gran desarrollo en
estos aparatos.
Existen 3 grandes familias de aeromotores de eje
vertical.
Aeromotores Savonius.
Esencialmente utilizan el arrastre diferencial creado por las
palas que pueden ser de diversas formas. El par de arrastre es
levado, pero la velocidad máxima es claramente inferior a
la de los rotores de eje horizontal.
Aeromotores Darrieus.(patente/1931)
Emplea la sustentación de las palas y están
caracterizados por débil par de arranque y velocidad de
rotación elevada que permite la recuperación de una
gran potencia.
Para mejorar el par de arranque se pueden acoplar otro tipo de
rotores haciéndolo mixto (Savonius-Darrieus). Este tipo de
máquinas es susceptible de competir con los aeromotores
rápidos, bipalas y tripalas de eje horizontal; son objeto
de estudio y desarrollo.
Razon de la eleccion del aeromotor de eje horizontal
bipala.
Los aeromotores de eje horizontal paralelo a la dirección
del viento, son los más extendidos, por tener el mejor
rendimiento con relación a la energía máxima
recuperable, conocida como límite de Betz. En esta tesina,
nos limitaremos de este tipo de aeromotores para la
generación de electricidad.
Configuracion de una estacion eolica.
Cualquier estación eólica destinada a la
producción de energía eléctrica tiene
según el siguiente organigrama esta
configuración:
Organigrama de
una estación de suministro de energía por
aerogenerador.
Constitucion de un aeromotor.
Un aeromotor está constituido por las siguientes
partes:
Un aeromotor de dos palas (o tres, no es nuestro caso), provisto
de un sistema de regulación, que confiera al rotor una
velocidad de rotación estable a partir de cierta velocidad
del viento, y un sistema de seguridad
destinado a frenar la máquina en caso de tempestad, si el
sistema de regulación es inoperante a altas
velocidades.
Un generador eléctrico que puede estar:
Directamente acoplado al aeromotor. En el caso más
sencillo las palas van directamente montadas en el eje del
generador. Acoplado a un multiplicador, colocado entre el
aeromotor y el generador. Se verá que la velocidad de
rotación depende del diámetro del rotor y disminuye
cuando el diámetro aumenta. Entonces para tener un buen
rendimiento, es necesario aumentar las revoluciones del aeromotor
antes de acoplarlo al generador.
Mecanismo de giro, que permita a la máquina estar siempre
orientada en la dirección del viento, cualquiera que sea
esta. La energía producida en la parte móvil, se
transmite por medio de un dispositivo colector asociado al
mecanismo de rotación.
Cárter o armazón, que envuelva y proteja a todas
las piezas del conjunto de los los factores climáticos.
Una cola, en el caso de que la máquina funcione de cara al
viento, para obtener una orientación según los
movimientos de la masa de aire.
En la siguiente figura se representa al aerogenerador de
cara al viento con las partes descritas: Aerogenerador con
aeromotor "caro al viento"
Torre de soporte del aerogenerador.
Es importante su construcción por varias razones, la cual es
mecánicamente sencilla.
Su altura. El aerogenerador debe estar situado por encima de las
perturbaciones causadas por el terreno. La instalación de
la torre en el altiplano boliviano no será necesariamente
muy alta, debido a la peculiaridad de la configuración
geográfica en esta zona.
Su frecuencia. Cualquier máquina giratoria es siempre
asiento de vibraciones; es por tanto, esencial que la frecuencia
propia de la torre sea muy diferente a la frecuencia de las
vibraciones (fundamentales y armónicas), engendradas por
el aerogenerador.
Mantenimiento. El acceso a la torre debe ser
fácil para su buen mantenimiento.
En nuestro caso la torre abatible es la que mejores bondades
presenta. Robustez. La torre deberá resistir las
sobrecargas producidas, como ser: esfuerzos ocasionados por
funcionamiento anormal, ráfagas de viento, y turbulencias.
Forma. Preferiblemente no angular, para evitar esfuerzos
innecesarios en la misma torre mejorando así el flujo de
corrientes de aire.
Dispositivo Para El Almacenamiento De
La Energia
Producida.
La estación eólica deberá disponer de un
medio para el almacenamiento de
la energía producida, esto con el fin de abastecimiento en
períodos de calma atmosférica. En general el medio
más accesible para este propósito son los
acumuladores de plomo.
Vale hacer notar que una parte importante de la inversión esta dirigida a este campo.
Aproximadamente de un 20% a 50% del total del costo.
Fuente energetica de apoyo.
Según la capacidad del aerogenerador, su
utilización y los regímenes de viento, puede ser
necesario el uso de fuentes de
apoyo. Para garantizar el funcionamiento continuo de la
instalación en caso de fallo en el aerogenerador. Para
disminuir el uso de almacenadores.
A este objetivo, se
perfilan dos grandes representantes:
Motores de
explosión (combustión interna), a diesel o gasolina u
otro derivado del petróleo.
Batería de acumuladores cargada por células
fotovoltaicas.
Dispositivo Para Vigilar El Estado De
Las Baterias De Acumuladores.
A pesar de ser los acumuladores de plomo el medio más
barato y fácil de instalar, necesitan una vigilancia muy
severa. Los acumuladores de plomo, son extremadamente sensibles a
regímenes de descarga y sobrecarga prolongados. Por lo
tanto es indispensable instalar un sistema manual o
automático de vigilancia.
Este dispositivo deberá asegurar
prioritariamente:
El corte de la corriente de carga de la batería cuando
está completamente cargada.
La conmutación del circuito de utilización hacia la
fuente de apoyo, si existe, cuando la batería esté
descargada. La protección de los distintos elementos de la
instalación mediante fusibles.
Los medios para
medir el buen funcionamiento de la estación (valor de la
corriente de carga, de la tensión dada por aerogenerador,
etc).
Dispositivo de orientacion.
Los aeromotores de eje horizontal necesitan una
orientación permanente de la máquina en una
dirección paralela a la del viento para disminuir los
esfuerzos y las pérdidas de potencia.
Características del aerogenerador proyectado.
Existen muchos dispositivos de orientación, elegidos
generalmente de acuerdo con la potencia del aeromotor. Son parte
importante del buen rendimiento de la instalación
eólica.
Los aeromotores de eje horizontal están sometidos a
fuertes esfuerzos durante los cambios bruscos de
orientación, originados por los cambios de velocidad y
dirección del viento. Estos esfuerzos son mayores cuanto
mayores sean las aceleraciones que se producen en un cambio de
dirección.
La componente perpendicular al eje de rotación de
la hélice es proporcional al cuadrado de la velocidad de
giro alrededor del eje principal ( en rad/s).
Los cambios de dirección y las variaciones de frecuencia
de rotación provocados por las ráfagas son el
origen de vibraciones nefastas para el buen funcionamiento del
aeromotor.
El sistema de orientación deberá cumplir con la
condición necesaria de mantener el rotor caro al viento
sin provocar grandes cambios de dirección del rotor cuando
se produzcan cambios rápidos de la dirección del
viento.
Para los aeromotores de pequeña y mediana potencia, cuya
hélice está situada para el viento, el dispositivo
de orientación es una cola, constituida generalmente por
una superficie plana (placa metálica o de madera)
situada en el extremo de un soporte unido al cuerpo del
aeromotor.
La condición antes descrita se obtiene por la
determinación de la superficie de la cola sobre la cual se
ejerce el par de giro.
Esta superficie se determina experimentalmente situando la
máquina prototipo en un lugar donde la corriente de aire
está perturbada y buscando la superficie óptima de
la cola.
Cuando la cola se sitúa en el eje aeromotor, la longitud
de soporte juega una función
importante, puesto que cuanto más largo sea menos se
situará en la zona de turbulencias del aeromotor,
originadas por el giro de la hélice.
Para evitar que la cola este situada en la zona de turbulencias
debidas a la rotación de la hélice (una distancia
igual a 6 o 10 veces el diámetro), algunos constructores
(Aerowatt), después de haberlo ensayado en túneles
aerodinámicos, han equipado a sus aeromotores con colas
cuya parte útil está situada fuera de las
perturbaciones.
Dispositivo de orientación para aeromotores de
cara al viento.
Para adaptar esta cola a lugares perturbados, el mismo
constructor ha hecho una cola cuya superficie varía en
función
de las solicitudes originadas por los cambios de
orientación del viento. La parte útil de la cola
está constituida por una parte fija y una parte
móvil articulada a la anterior mediante un material
elástico.
En el caso de que se produzcan cambios de
dirección del viento, la parte móvil gira,
disminuyendo así él para de giro y por consiguiente
la velocidad angular de orientación es menor así
como los esfuerzos. Las colas, que son muy eficaces, son muy
difíciles de poner en práctica por causa de su peso
y sus dimensiones en los aerogeneradores cuya hélice tenga
un diámetro superior a 20 m (dimensión que
corresponde a una potencia cercana a los 100 KW para una
máquina con una velocidad nominal de 11m/s y un
rendimiento del 65% con relación al de Betz). La
mayoría de los aeromotores destinado a instalaciones de
pequeña potencia (P < 10 KW) funcionan con la
hélice situada contra al viento y están equipados
con la cola orientadora.
Los aeromotores cuyo diámetro es superior a los
20 metros funcionan generalmente con la hélice a favor del
viento, es decir, con ésta detrás de la torre de
sustentación. Desgraciadamente, éste sistema de
orientación implica un funcionamiento de la hélice
que crea esfuerzos periódicos destructivos.
3. Complementos para la
utilización de energía
eólica.
El generador electrico y el multiplicador.
El aeromotor puede accionar directamente o indirectamente (a
través de un multiplicador), dos tipos de generador
eléctrico:
- Generador de corriente continua
(dínamo). - Generador de corriente
alterna (alternador).
Estos transformarán la energía
mecánica en energía eléctrica, teniendo en
cuenta las pérdidas ocurridas dentro el generador.
La fórmula de la transformación de energía
es:
Cu*2Ò*n
Cu: par del aeromotor (N*m)
n : velocidad de rotación (rpm)
i : Corriente proporcionada por el aerogenerador a una
tensión U
Generador de corriente continua. (Dínamo).
La máquina está formada por dos partes bien
diferenciadas:
El cicuito magnético (bobina de inducción) que crea un campo de inducción en el entrehierro y recibe el
nombre de inductor.
El bobinado de inducido en el que se recupera la energía
eléctrica producida por la rotación del rotor
accionado por el aeromotor.
Para recuperar esta energía, el inducido va provisto de un
colector, que en la mayoría de los casos va provisto por
dos sectores aislados de 180?.
Dos escobillas, situadas una frente a otra, se ponen en contacto
sucesivamente con el sector A después con el sector B, lo
que permite que la corriente circule siempre en el mismo sentido
en la utilización. En realidad, el colector consta de un
gran número de sectores, que corresponden a otros tantos
conductores, pero su papel es el
mismo: hacer circular una corriente de igual sentido por todos
los conductores de un mismo polo.
Si se considera que ese flujo producido por la bobina de
excitación es constante (máquina compensada), la
corriente proporcionada es proporcional a la velocidad de
rotación. La relación entre la tensión en
bornes de la máquina y la corriente es:
- u = E – R * i
- E: fuerza
electromotriz de la dínamo. - R: resistencia de
inducido. - i: Corriente suministrada a la carga.
Generador sincrono de corriente alterna.
La máquina consta de las siguientes partes. La bobina de
excitación que crea el campo
magnético en el cual el entrehierro es móvil,
es el rotor accionado por el aeromotor. Puede ser de dos
tipos:
Rotor bobinado alimentado por dos colectores continuos en los que
la corriente circula siempre en el mismo sentido. Rotor de imanes
permanentes, con lo que se suprimen escobillas y colectores, que
pueden ser causas de averías. El inducido, en el que se
recupera la energía, solidario a la carcasa, y conectado a
la utilización. Este al estator , y puede ser
monofásico o trifásico. El trifásico permite
obtener una tensión alterna casi sinuosidad (curva
representativa de los valores
del seno) y, por tanto, mejor rendimiento.
Ventajas e inconvenientes.
El principal inconveniente de la dínamo es la presencia de
escobillas y colectores, que requieren un mantenimiento
periódico. Por otra parte, la dínamo
es más pesada y cara que un generador de corriente
alterna. Pero no necesita ningún dispositivo complicado
para la carga de baterías. Un simple diodo,
(válvula de vació termoiónica formada por
dos electrodos; conectada a un circuito permite el paso de la
corriente en un solo sentido), que soporte la intensidad nominal
de la dínamo, será suficiente para evitar que la
batería pueda ser cortocircuitada por el inducido, cuando
esté parado.
El alternador, principalmente del tipo de rotor de imanes
permanentes, presenta muchas ventajas. Su mantenimiento es nulo
debido a la total ausencia de piezas en rozamiento. Para una
misma potencia es más ligero y económico. Pero debe
girar a una velocidad más elevada y más estable que
la dínamo (en general 3000 rpm) y además requiere
un rectificador para la carga de baterías. A pesar de los
inconvenientes propios de alternador, su utilización
está generalizada, excepto para aeromotores de
pequeña potencia, en los que la estabilidad de la
velocidad de rotación no es suficiente. En general , se
utilizan alternadores trifásicos de imanes
permanentes.
El multiplicador.
Se comprobó que el empleo de
alternadores obliga a utilizar un multiplicador.
Efectivamente, los rotores de diámetro superior a los 5
metros, tienen velocidades de rotación demasiado bajas
(<200rpm) para poder accionar
directamente un alternador clásico. Por tanto, para estas
máquinas, es imprescindible intercalar un multiplicador
entre el aeromotor y el generador. Hay tres tipos de
multiplicador que pueden utilizarse con los aeromotores: El
más sencillo es el multiplicador de engranajes, de uno o
varios ejes de ruedas dentadas cilíndricas. Es
económico, pero de construcción embarazosa para
conseguir relaciones de multiplicación
elevadas.
El empleo de
trenes planetarios permite obtener multiplicaciones elevadas en
un espacio reducido. La repartición de pares y esfuerzos
entre varios satélites,
así como la disposición coaxial, (perteneciente al
eje o concerniente a él), de los ejes de entrada y salida
facilitan una construcción compacta y relativamente
ligera. Los satélites,
arrastrados por un tren, engranan por una parte con el
piñón colocado en el eje de salida, y por otra con
una corona exterior fija. El eje de entrada es solidario con el
tren que mueve satélites.
El reductor de acoplamiento cónico, permite
disponer el eje de salida perpendicular al de entrada. En todos
los casos, las dientes helicoidales aseguran un mejor rendimiento
y también un funcionamiento más silencioso.
Nota: Se han realizado algunos sistemas para aumentar la
velocidad de rotación del generador, sin multiplicador,
como pueden ser:
Hélices de contrarrotación.
Empleo de la elevada velocidad periférica del rotor (rotor
con llanta),
Pero estos sistemas nunca han pasado del estado de
prototipo.
Tipos de multiplicadores.
Recuperacion De La Energia En El
Soporte Fijo.
Máquinas sin multiplicador
El generador eléctrico está siempre colocado en la
parte móvil de la máquina. La energía
eléctrica se transmite al soporte fijo mediante un
conjunto de colectores y escobillas, generalmente
sobredimensionados para evitar pérdidas inútiles
por resistencia en
los contactos demasiado elevada.
Máquinas con multiplicador.
En este caso, puede estudiarse la solución del
multiplicador colocado en la base, sobre todo para la
recuperación de la energía mecánica. El
multiplicador tiene entonces dos ejes perpendiculares, el eje
horizontal y el vertical. Pero los problemas de
estancamiento en el eje vertical son graves. En el caso de
recuperación de energía eléctrica, interesa
siempre utilizar el sistema de colectores escobillas.
Proteccion Contra Los Rayos.
Los aerogeneradores se colocan generalmente en puntos elevados, y
además deben ser más altos que los
obstáculos de sus alrededores. Por tanto, frecuentemente
constituyen los puntos de descarga de electricidad estática
durante las tormentas.
Aunque, por propia constitución el generador está
protegido contra las descargas eléctricas, por estar
encerrado en una estructura
metálica conectada a tierra (caja
de Faraday), la instalación a la que está conectada
puede ser destruida por las sobre tensiones que se propagan por
el cable eléctrico de alimentación colocado
entre el aerogenerador y la utilización. El generador
eléctrico puede resultar dañado por
contracorriente, en caso de que la utilización quede en
cortocircuito.
Por tanto, para emplazamientos expuestos a posibles
descargas atmosféricas, es indispensable: Conectar la
torre soporte a una buena toma de tierra (inferior o a igual a 3
Û). Colocar disyuntores de gas en el punto
de conexión de la utilización, con los cables
eléctricos del aerogenerador. La tensión de cebado
de los disyuntores debe ser aproximadamente el doble de la
tensión máxima del generador
eléctrico:
- -dínamo: tensión en vacío X
2; - -alternador: tensión eficaz en vacío X
2.
Estos disyuntores deben estar conectados a la toma de
tierra por una línea lo más directa posible.
Soporte para aerogeneradores.
Los aeromotores de pequeña y mediana potencia, pueden
estar colocados en dos tipos de soporte:
Soportes autoportantes:
- Estructura metálica.
- Tubulares.
- De hormigón.
- Soportes atirantados
- Estructura metálica.
- Tubulares.
Los soportes atirantados abatibles.
El empuje en la parte superior del soporte es debido
principalmente al arrastre del rotor, sobre todo si el sistema de
regulación empleado es de arrastre máximo, cuyo
valor es:
T: Empuje en la parte superior del soporte (newton)
- m: Masa volumétrica o densidad del
aire (1,25 kg/m3) - S: Superficie barrida por el rotor (m?)
- V: Velocidad del viento (m/s)
- Cx: Coeficiente de empuje.
Remplazando:
- S = 0,7375 m?
- V = 7 m/s
- Cx = 0,025
- Resultado:
- T = 0,56 nt
Siempre que el terreno lo permita, es aconsejable
utilizar un soporte atirantado basculante, que facilite el
mantenimiento del aeromotor y del mismo soporte, en el suelo y
por tanto con una mayor comodidad y sin peligro.
Empleando elementos tubulares, muy utilizados en los circuitos de
distribución, y las bridas de unión
normalizadas, la construcción de un soporte de hasta 15 m
es simple y menos costoso que el soporte autoportante.
Debe realizarse un atirantamiento con cuatro vientos, inclinados
45?, un cable de acero
galvanizado, y de forma que el punto de anclaje sobre el soporte
sea lo suficientemente bajo para no impedir el giro del rotor. La
unión de los cables al suelo, debe hacerse a través
de tensores que permitan regular la tensión de cada
cable.
Cualquiera que sea el tipo de soporte utilizado, hay que
tener en cuenta:
- la protección contra la corrosión;
- la facilidad de montaje y desmontaje de la
máquina; - los riesgos de
la formación de hielo.
Ý aspa Altura torre Altura ancla Mast.
maniob. Secc. cable
2 m 15 m 14,2 m 3,6 m 11 m
5 m 15 m 13 m 4,5 m 20 m
Dimensionado de soportes atirantados y basculantes
Nivelación de los puntos de anclaje al suelo,
Nos referimos aquí a los cables que se emplean para las
maniobras de elevación y abatimiento de la torre soporte.
Se emplean dos cables laterales para guiar la trayectoria de
bajada y otros dos para subir o bajar el soporte.
Los tensores permiten variar ligeramente la longitud de los
cables, pero es insuficiente, y por tanto es indispensable
colocar los cables laterales en el mismo plano horizontal que el
pie del soporte, y alinearlos con el eje de basculamiento de
dicho pie.
La posición del anclaje de los otros dos cables
es menos importante. en terreno inclinado, debe colocarse el
anclaje correspondiente al dispositivo de elevación
(torno de tambor o
cabría de fricción) en el punto menos elevado de
los dos, ya que así se disminuirá el esfuerzo
inicial.
4. Dispositivos De
Almacenamiento.
Dado que una característica esencial del viento es su
discontinuidad en el tiempo, se han
realizado diversos estudios destinados a desarrollar sistemas que
permitan almacenar la energía producida por el viento y no
utilizada directamente durante los períodos de
producción a fin de restituir una parte, la mayor posible,
durante los días de calma.
Este aspecto de la energía eólica es,
aún hoy, uno de los que más frenan su desarrollo,
ya que este almacenamiento, tanto más importante cuanto
más irregular sea el régimen de vientos, constituye
frecuentemente una parte importante (> 20%) del costo de una
instalación de producción de energía
eléctrica a partir del viento.
En esta obra daremos, sólo a título
informativo, una breve descripción de los dispositivos de
almacenamiento, exceptuando las baterías de
acumuladores clásicos, que trataremos con más
detalle ya que siguen siendo el sistema más fácil y
a menudo más económico (relativamente) para
almacenar energía eléctrica en pequeña
cantidad.
Hay que remarcar que todos los dispositivos de
almacenamiento, incluidas las baterías de
acumuladores, tienen rendimientos entre el 70 y el
80%.
Acumuladores de plomo.
El tipo de acumulador de plomo que conviene utilizar, fue puesto
a punto de 1860 por planté. Desde entonces no ha sufrido
más modificaciones que las destinan a mejorar sus prestaciones,
pero el principio de funcionamiento sigue siendo el
mismo.
Construcción.
El recipiente es de material aislante, vidrio o plástico.
Las placas están formadas por rejillas de plomo-antimonio
en las mallas de las cuales se encuentra la materia activa
en forma de pasta. Electrodo positivo-ánodo: 75% de minino
+ 25% de litargio.
Electrodo positivo-cátodo: 25% de minino + 75% de
litargio.
El electrolito es una solución de ácido
sulfúrico cuya densidad es
máxima al final de la carga ( 30%) y mínima al
final de la descargar ( 16%).
Principio fundamental de funcionamiento. Durante la descarga, el
ácido sulfúrico del electrodo se descompone: por
una parte, se forma agua y óxido de plomo en el
ánodo;
por otra, en el cátodo, se acumula sulfato de plomo
insoluble.
Si la descarga es demasiado profunda, se forma sulfato de plomo
incapaz de descomponerse por reacción inversa durante la
carga, y las placas negativas se "sulfatan" (se vuelven
blanquecinas).
Durante la carga, el fenómeno es exactamente el
inverso, y cuando está del todo cargado se llega a la
electrólisis del agua con desprendimiento
de hidrógeno en el cátodo. Esquemáticamente
tenemos:
PbO2 + 2H2SO4 + Pb
→ PbSO4 + 2H2O
El electrolito, pues, participa estrechamente en las
reacciones.
Una particularidad del acumulador de plomo, es su sensibilidad a
las reacciones secundarias: acción del ácido
sulfúrico sobre el plomo y el óxido de plomo,
corrientes locales ocasionadas por la constitución heterogénea de las
placas, sobre todo en las placas positivas en las que la fuerza
electromotriz debida al contacto plomo-óxido de plomo es
elevada. El resultado de todo es el auto descarga y
sulfatación progresiva de las placas.
Otra característica del acumulador de plomo es la
variación de materia activa
a lo largo del ciclo de carga-descarga: En la descarga, las
placas casi duplican su volumen inicial,
por lo cual se corre el peligro de que la materia activa se
despegue en trozos y cree cortocircuitos en el acumulador. Todo
lo expuesto hasta aquí tiene por objeto dejar patente la
importancia de la vigilancia adecuada del estado de
carga o descarga de una batería de plomo para conservarla
en buenas condiciones de funcionamiento, ya que una carga o
descarga excesivas provocan el rápido envejecimiento del
acumulador.
El rendimiento de la batería conveniente, cuando
las instalaciones se alimenten exclusivamente de la
energía almacenada en las baterías, distribuir la
descarga de las mismas, y no descargarlas simultáneamente
siempre que sea posible (ver también las
características de los fabricantes. Vida útil: 10 a
20 años según la calidad de
acumulador.
Número de ciclos de carga durante la vida
útil del acumulador: ~ 1500. Resistencia interna de un
elemento, siendo la masa en kilogramos de un elemento de
acumulador: Ri¸0,08Û*1/m Masa: 1kg para 20 a 40
KW.
Rendimiento-capacidad: Estas dos características dependen
en gran medida del régimen de carga-descarga (valor
típico para cálculos: 80%).
Todos cuando antecede son cierto para los acumuladores son
preferibles las baterías de tipo estacionario o semi-fijo
de 2 V por elemento y no las baterías de arranque (para
automóviles), que tienen una vida útil más
corta, capacidad nominal más baja y sobre todo, que
soportan mal los ciclos de carga-descarga.
Conclusiones.
A pesar de los inconvenientes que presenta, en particular la
necesidad de no sobrecargarlo ni descargarlo en exceso, el
acumulador de plomo de tipo semifijo es actualmente el mejor
adaptado y más económico para su empleo con
aerogeneradores. Para minimizar las pérdidas de
rendimiento debidas al paso por el sistema de almacenamiento, el
usuario de energía eólica debe realizar la
instalación y adaptar su funcionamiento de manera que
puede utilizar el máximo de energía de salida del
aerogenerador.
Ejemplo:
En las zonas en que el viento sopla regularmente cada día,
puede aprovecharse el período de producción de
energía eólica para bombear agua a un
depósito situado por encima del nivel de
utilización, de forma que ésta se distribuya
después por gravedad.
Emplear los aparatos eléctricos (sierra, taladro…):
Directamente desde la salida eléctrica del aerogenerador,
si éste nos
proporciona corriente en formato industrial (220 V o 380 V).
o bien utilizando un convertidor (giratorio o estático)
conectado directamente a la salida del rectificador.
Nota: Reposición de acumuladores de plomo de tipo semifijo
cuyas placas puedan sacarse del recipiente (generalmente de
vidrio). Cuando
las placas de una batería están sulfatadas (tono
blanquecino para las placas negativas y claro para las
positivas), puede conseguirse una des-sulfatación con una
serie de cargas a baja intensidad, reemplazando el ácido
por agua (destilado o de lluvia). Esta se enriquece con
ácido y antes de la puesta en servicio del
elemento se le añade el necesario para conseguir la
concentración adecuada. Cuando se desea dejar una
batería en reposo durante varios meses, es necesario
guardarla en estado de plena descarga reemplazando el
ácido por agua destilada.
Determinación de la capacidad de la
batería de acumuladores. Para garantizar el suministro de
energía en la utilización con un mínimo de
discontinuidad, la batería de acumuladores deberá
estar correctamente determinada. Para ello necesitamos
conocer:
Los datos
meteorológicos del emplazamiento. Cuanto más
exactos sean estos datos, mejor será la
determinación de la batería de
acumuladores.
La potencia del aerogenerador de que dispone la
instalación.
La potencia media consumida por la utilización (P). Esta
potencia debe tener en cuenta todos los aparatos alimentados con
energía eléctrica proveniente de la batería
de acumuladores, y sus turnos, es decir el número de horas
que funciona cada uno al día.
Todos los fenómenos que hemos citado, tienen
carácter aleatorio:
la producción de energía es discontinua; el
consumo
varía según los días; el valor de la
corriente dada por el aerogenerador, depende del estado de carga
de las baterías; además, se ha visto ya que la
energía restituida por la batería depende del
régimen de descarga; y, por otra parte, no toda la
energía producida pasa por las baterías y por tanto
no queda afectada por el rendimiento de éstas. Para un
dimensionado exacto, hay que recurrir a una simulación
de funcionamiento de la instalación, mediante ordenador.
Los datos esenciales son las velocidades de viento que
proporciona el SENAMHI, en formato directamente aplicable al
ordenador, siempre que estos sean aplicables a nuestro
emplazamiento. Estos métodos
requieren procesos
engorrosos y caros, y normalmente se recurre a cálculos
más sencillos, como el que describimos a
continuación:
Designemos por N1 el período más largo
durante el cual el viento ha sido inferior al viento productivo
(V<Vd) . No se tendrán en cuenta aquellos
períodos excesivamente largos que no se repitan más
de 4 veces durante un año, ya que él hacerlo
conduciría a sobredimensionar la batería, con el
consiguiente sobrecosto.
Y por N2 el período más largo durante el cual el
viento se ha mantenido entre el productivo(Vd) y de nominal (Vn).
Cuando el viento alcanza la velocidad nominal o de
regulación, el aerogenerador da su potencia nominal.
En general se toma una autonomía para las baterías,
en días N, inferior o igual a 1,25 N1 :
N? 125N1
En efecto, el coeficiente de N1 depende de la importancia de N2
frente a N1.
Si N1 ¸ N2, los vientos serán débiles muy
frecuentemente, y por tanto conviene tomar N¸1,25 N1.
Este valor de N nos permite calcular la capacidad de la
batería en watt-hora.
Capacidad de la batería:
CWh = N*24*Pm (Pm=Potencia media total) Resulto: 8649 w/h
CWh = N*E (E=Energía total)
Teniendo en cuenta la tensión Ub elegida par la
batería de acumuladores, en función de los aparatos
y de la tensión nominal del aerogenerador, la capacidad
vendrá dada por:
CAh = CWh/Ub
Resultado:
CAh = 360,375 amp/h
Esta capacidad debe ser compatible:
Con la intensidad de corriente máxima que puede
suministrar el aerogenerador (Imax = Pmax /Ub) que se debe ser
inferior a CAh /10.
Imax < CAh /10.
Resultado:
I max = 41,67 amp
41,67 < 36,0375
para las baterías de plomo;
Con un coste y dimensiones aceptables para la batería de
capacidad suficiente para la autonomía deseada de n
días. En caso en que el valor hallado para CAh sé a
demasiado elevado, será necesario disponer de una fuente
de emergencia mayor, o buscar otro emplazamiento con
régimen de vientos más favorables, si es que es
posible.
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