5. Control del
estado de la
carga de la batería de acumuladores. circuitos
asociados (Control manual).
Aerogenerador equipado con generador de corriente
continua.
Contiene los siguientes dispositivos de protección, en
serie con el circuito de carga de la batería de
acumuladores: Obligatoriamente, un diodo de potencia que
evite que la batería pueda descartarse a través del
generador, cuando esté parado por la falta de viento o por
estar frenado. Un interruptor y un fusible en el circuito de
carga del aerogenerador , que pueden estar colocados en la misma
caja. El interruptor permite abrir el circuito de carga, cuando
las baterías estén totalmente cargadas. El fusible
protege a los componentes en caso de falsas maniobras o de fallo
de un componente; debe estar calibrado en función de
la corriente máxima que puede proporcionar el
aerogenerador. Un interruptor y un circuito de utilización
(optativo) que proteja las baterías y el circuito
eléctrico en caso de cortocircuito prolongado en la
utilización.
Dispositivo de control (optativos):
Un voltímetro calibrado según la tensión de
la batería y que sirve para verificar su estado de
carga. Un amperímetro o testigo de carga montado en serie
en el circuito de carga, que permita medir la corriente
suministrada por el aerogenerador.
Empleando un amperímetro de cero central, podemos medir la
corriente suministrada por el aerogenerador y la consumida por la
utilización, pudiendo verificar así los
cálculos de autonomía.
Aerogenerador equipado con alternador.
El diodo es sustituido por un rectificador monofásico o
trifásico según el alternador utilizado. Entre el
alternador y el rectificador, puede intercalarse un transformador
para adaptar la tensión de salida del alternador a la de
la batería de acumuladores.
En todos los casos, el estado de
carga de las baterías, debe ser comprobado
periódicamente, verificando la concentración del
electrolito del acumulador con un ácido graduado en
densidad o en
grados Baumé .
Empleo De Un Contador De Amperios-Hora
Cabe mencionar que existe un mecanismo de control
automático, el cual es bastante complejo por lo cual
obviaremos su explicación en la tesina
Otra posibilidad, válida para cualquier tipo de generador,
consiste en emplear un contador reversible que nos dé en
cada instante el número de Ah almacenados en la
batería. Este contador va provisto de los índices
regulables que pueden colocarse en los niveles de frecuencia
elegidos como umbral de carga o descarga. Estos índices,
asociados a contactos, pueden gobernar:
- -Un contador.
- -La puesta en marcha de la fuente de
energía. - -Una sirena…
Además, el contador está afectado por el
rendimiento de la batería, cuyo valor puede
elegirse en el momento de instalarlo.
Pero estos contadores presentan graves inconvenientes:
- -Son muy caros.
- -No se adaptan más que a una determinada
capacidad de carga variables y
que el rendimiento de la batería decrece al envejecer
ésta.
6. Valores de las
tensiones de final de carga y descarga.
Las indicaciones más importantes vienen
especificadas por el fabricante: por una parte, para las
tensiones y, por otra, para la densidad
volumétrica.
Sin embargo, las siguientes indicaciones, permiten
conseguir una regulación adaptada al tipo de
utilización.
Valor de la
tensión de final de carga.
El valor de la tensión cuando "hierve" un elemento
acumulador de plomo de tipo semifijo es de 2,35 V
aproximadamente, a 25?C. SI se elige este valor como
límite de final de carga, el consumo de
agua por
electrólisis será verdaderamente
importante en caso de largos períodos de viento. La
elección del valor umbral de final de carga,
dependerá de las características propias de la
instalación: El régimen de vientos: un
régimen de vientos regular permite acercarse al
funcionamiento en flotación y el nivel final de carga se
alcanzará difícilmente. Es el régimen de
funcionamiento más favorable, pero desgraciadamente no el
más generalizado. Un régimen de vientos irregular
implica el funcionamiento de la batería en ciclos de
carga-descarga. el nivel de final de carga se alcanza
frecuentemente, y es importante que la regulación
está bien hecha. Capacidad de la batería de
acumuladores (C) con relación a la corriente de la In del
generador. Cuanto mayor sea la relación C/In , menor
será el riesgo de que la
batería se sobrecargue en régimen de vientos
irregulares. Tipo de utilización. Es más favorable
un funcionamiento continuo que secuencial. Por tanto el
funcionamiento de la instalación será más
satisfactorio cuanto más regulares sean el régimen
de vientos y la utilización, ya que entonces nos
acercaremos más a una utilización directa de la
energía producida por el aerogenerador, sin pasar por la
batería de acumuladores. Regla práctica: Para los
emplazamientos en los que predomine el funcionamiento por carga y
descarga, se ajustará el nivel de corte de la corriente de
carga al máximo en función
del consumo de
agua. Se ha
visto que el consumo normal de agua es aproximadamente de 0,18
litros por mes para un elemento de 2 V y de 1000 Ah. Cualquiera
que sea el ajuste, es importante que al final de la carga, la
densidad del electrolito alcance el valor especificado por el
fabricante de la batería.
Valor de la tensión de final de descarga por
elemento.
Depende del tipo de acumulador empleado, pero para acumuladores
plomo de tipo semifijo es importante no descender por debajo de
los 1,8 V por elemento, para evitar la formación de
depósitos de óxido no soluble en la recarga y, por
tanto, una disminución importante de la capacidad. El
valor de 1,8 citado, es un mínimo para una corriente de
descarga inferior o igual a C/10 . Este valor de tensión
corresponde a una densidad volumétrica del electrolito de
1180 kg/m3. Además de los fenómenos de
oxidación, el electrolito de las baterías
descargadas se congela a temperaturas más altas.
Según el emplazamiento, el valor elegido como umbral de
descarga deberá tener en cuenta la posibilidad de
congelación del electrolito, que puede provocar la rotura
de los recipientes en los que están colocadas las placas y
el electrolito. Por otra parte, este valor de 1,8 V por elemento
puede ser incompatible con el buen funcionamiento de los aparatos
de instalación; en tal caso, el final de descarga
vendrá evidentemente condicionado por el nivel de
no-funcionamiento de los aparatos.
Las fuentes de
emergencia.
Las fuentes de
emergencia deben proporcionar energía a la
utilización en caso de ausencia de viento o avería
en el aerogenerador. En algunos casos, no es posible cortar la
alimentación de la utilización
aunque la batería está totalmente descargada. Un
ejemplo puede ser las estaciones de tele transmisión
(teléfono, tele señalización,
telecontrol,…).
Entre las estaciones alimentadas por un aerogenerador y
que dispongan de fuente de emergencia hay que distinguir aquellas
que tengan un consumo medio inferior a 4 A de las que la tengan
superior. En el primer caso, una batería de pilas
químicas, generalmente alcalinas (potasa) con
despolarización por aire, es la
solución más adecuada ya que es el tipo de pilas que
proporciona la energía
eléctrica más económica. Su vida
útil, en servicio, es
de 3 años. La tensión nominal por elemento es de
1,2 V. La tensión necesaria para el funcionamiento de la
instalación se consigue conectando en serie los elementos
necesarios.
La corriente nominal necesaria para la alimentación de la
utilización puede conseguirse por conexión en
paralelo de varias series de elementos. Pero siempre es
preferible emplear pilas que den la corriente necesaria, para
evitar que en la conexión en paralelo , unas series puedan
descargarse en otras. En el segundo caso es necesario utilizar un
motor
térmico, debiendo distinguir dos tipos:
Motores de gasolina para pequeñas potencias
(1-2KW) y utilización poco frecuente.
Motores diesel
para potencias medias (3-20 KW) y uso más frecuente.
En el caso en que la energía eólica se emplee para
alimentar una vivienda aislada, el grupo diesel
presenta la ventaja de adaptarse al consumo de los aparatos que
deben funcionar con corriente alterna
y de potencia elevada.
En los otros casos, el grupo puede
usarse para recargar parcialmente la batería de
acumuladores.
Siempre que sea posible debe evitarse la instalación de
una fuente de emergencia, ya que son caras y si la
instalación está bien dimensionada, su uso
será muy poco frecuente.
7. Utilización de la
energía
eléctrica de origen eólico.
Cualquiera que sé el tipo de aparato alimentado
por energía eléctrica de origen eólico, se
caracteriza por tres parámetros:
La naturaleza de
la tensión de alimentación y su valor:
continua
- alterna
- indistinta
La potencia necesaria para su funcionamiento:
en el arranque
- en régimen normal
El factor de utilización: porcentaje de tiempo durante la
cual el aparato está en funcionamiento y eventualmente, la
frecuencia de utilización. Estos parámetros
permiten definir:
- El aerogenerador;
- La batería de acumuladores;
- Los aparatos anexos a la
instalación; - La fuente de emergencia en caso de
haberla.
8. Sistemas
Híbridos Eólico-Solar
Los sistemas
híbridos son una tecnología emergente
y, como tal, se encuentran en proceso de
investigación; su arquitectura
aún no está bien definida y por lo tanto, ni la
filosofía de control ni el equipo correspondiente son
tecnologías ya establecidas . El sistema de
X-Calak (1992) representa la mayor instalación que se ha
realizado en México
bajo la concepción híbrida
eólico-fotovoltaica y actualmente es objeto de análisis e investigación por parte de diferentes
instituciones
y empresas. El
equipo de acondicionamiento de potencia, tal como los inversores
de corriente, algunos convertidores y los controladores de carga,
se encuentran apenas en la etapa de prototipos industriales y
poco se ha hecho para caracterizar el comportamiento
en campo de las unidades disponibles comercialmente.
De cualquier manera, dado que los sistemas
híbridos son por definición centralizados, es
decir, proporcionan energía al usuario por medio de
una red de
distribución; falta definir el
conocimiento preciso de las posibles ventajas que puedan
presentar en comparación con los sistemas fotovoltaicos
dispersos o distribuidos; este es un tema que debe ser analizado
más profundamente antes de impulsar su desarrollo.
Potencial eólico
La determinación de la magnitud del recurso
energético eólico de un país, en
términos de reservas probadas y probables, como capacidad
instalable en MW y generación posible en GWh, se realiza
siguiendo una metodología semejante a la evaluación
del potencial hidroeléctrico de un país. Se
requiere de elaborar el inventario de
cuencas eólicas y su caracterización, precisando
los sitios, su extensión superficial en hectáreas,
sus características topográfico
eólicas, la rosa de los vientos, vientos
energéticos, rumbos dominantes, etc. lo que
permitiría configurar la distribución topográfica de los
aerogeneradores, y determinar un índice de capacidad
instalable por hectárea, que multiplicado por la
superficie total, indicaría la capacidad total instalable
en el sitio. La velocidad
media del viento en el mismo, sería indicativa del factor
de planta posible y por tanto de la generación bruta
esperada en GWh/año. Este procedimiento
cuantificaría reservas probables, la
caracterización detallada, a nivel de estudio de
factibilidad, demostraría una reserva
probada.
El Consejo para el Desarrollo
Sustentable de la Energía en Texas, realizó una
evaluación preliminar de sus recursos de
energías renovables, y en el caso específico de
energía eólica, los resultados se resumen en la
siguiente tabla:
Potencial de producción eléctrica en terrenos
ventosos en Texas
Clase de Potencia Eólica Área(km2) Porcentaje de
Superficie del Estado
Capacidad Potencial(MW) Potencial de Producción(TWh) % del consumo en
Texas
3 143,400 21.13% 396,000 860 371%
4 29,700 4.38% 101.600 231 100%
5 5,000 0.74% 21,600 48 21%
6 300 0.04% 1,600 4 2%
Total 178,400 26.29% 524,800 1,143 493%
Fuentes: Texas Renewable Energy Resource Assessment.
Julio 1995.
Densidad de Potencia en el viento según la
clase.
Clase de Potencia Eólica Densidad de
Potencia(W/m2) Velocidad
media del viento(m/s) Viabilidad Comercial(Tarifas
Actuales)
3 300 a 400 6 a 7 Marginal
4 400 a 500 7 a 7.5 Buena
5 500 a 600 7.5 a 8 Muy Buena
6 600 a 800 8 a 8.75 Excelente
Este cuadro limita el inventario a
terrenos con ciertas características físicas y
cercanos a carreteras y lineas de transmisión
eléctrica, no está considerando la totalidad del
territorio del Estado. La viabilidad comercial está en
relación con costos de
generación considerando el nivel de precios
internacionales del petróleo y
generación termoeléctrica que no contabiliza
costos externos.
Esta evaluación se realizó, y continúan los
estudios a mayor detalle, utilizando la topografía digitalizada del territorio del
Estado de Texas (INEGI tiene digitalizado el territorio nacional,
disponible en disquetes y disco óptico) y modelos
computacionales de dinámica de fluidos, lo que permite simular
el flujo del viento sobre los accidentes
topográficos de una gran superficie. La información de las estaciones del Servicio
Meteorológico Nacional, de los aeropuertos y otras
estaciones de medición anemométrica, actuando como
datos de
entrada, permiten identificar los lugares donde el viento se
acelera, por encajonamiento o por el perfil topográfico,
originando sitios con alto potencial energético
eólico. La cuantificación del recurso, corresponde
por tanto a identificar e inventariar los sitios de posible
aprovechamiento.
El ejemplo del Estado de Texas muestra que el
recurso energético eólico, es mucho más
extenso de lo que se puede apreciar empíricamente y del
análisis de la información de los Servicios
Meteorológicos Nacionales. Esta mediciones son, en
general, escasas. Normalmente se realizan en las inmediaciones o
el interior de asentamientos humanos importantes, los
instrumentos y la metodología de proceso de
datos no
corresponden a los requisitos de una caracterización eolo
energética ni corresponden a los sitios más
ventosos. Esta información subestima el potencial
eólico. El valor de la información del Servicio
Meteorológico, radica en la caracterización
cualitativa del viento en las diferentes regiones de un
país, lo que constituye una información
indispensable para extrapolar en tiempo y espacio
los estudios detallados en lugares de interés,
así como para los modelos de
simulación.
El Instituto de Investigaciones
Eléctricas inició en 1977 el análisis de la
información meteorológica de México
para determinar el potencial eólico nacional. Procesar los
datos de la década de los 70's , de la información
de los 67 observatorios con que contaba el SMN, fue un trabajo
conjunto que ocupó varios años y sufrió un
importante retraso por el terremoto del 85 que destruyó
las computadoras
de la Secretaría de Agricultura y
las del SMN tuvieron que entrar en su apoyo. Para el SMN
digitalizar los registros diarios
de las observaciones meteorológicas de la década de
los setentas, le llevó casi tres años de trabajo a
mediados de los 80's, y al IIE otros tantos en depurar y procesar
la información meteorológica del SMN, la que es
importante para caracterizar cualitativamente el viento, su
estacionalidad, rumbos dominantes, porcentaje de calmas, vientos
dominantes y energéticos, pero no así para
determinar el potencial energético eólico de un
país.
Lo que en este momento se puede esperar, es que dados
los graves disturbios climatológicos a escala mundial
que se están viviendo como consecuencia del cambio
climático originado por actividades humanas, y el sector
energético es el principal responsable de ello, se tomen a
nivel internacional medidas promociónales a la
difusión masiva de tecnologías de generación
eléctrica a partir de energías renovables. Si al
inicio de próxima década, México arrancara
un enérgico programa de
desarrollo de
centrales eolo eléctricas, podría alcanzarse la
cifra de 5000 MW para el 2010, aun así para entonces,
más de mitad de la generación eléctrica en
México, sería a partir de combustibles
fósiles.
Un programa de esta
magnitud, en términos de beneficios ambientales,
tendría los siguientes efectos: Evitar la
instalación de centrales termoeléctricas y por
tanto su consumo de agua en el altiplano central para sus
sistemas de enfriamiento y las emisiones de gases de
efecto
invernadero, por otra parte, al no pagar por combustibles,
sino por empleos, el desarrollo de centrales eolo
eléctricas es lo que más empleos produce dentro del
sector energético, beneficiando también a las
comunidades donde se asientan, ya que la utilización del
suelo
interfiere marginalmente con los usos agrícolas o de
pastoreo, permitiendo la continuidad de estas actividades y
recibiéndose una renta adicional por el arrendamiento de
los espacios y derechos de vía para
localizar aerogeneradores, tender líneas de
interconexión y subestaciones
eléctricas.
Resumen de agua dulce y emisiones evitadas por
generación eolo eléctrica.
La instalación de 5,000 MW eoloeléctricos
al año 2010, instalando a razón de 500 MW por
año, implicaría para el 2011 una generación
anual de 13,140 GWh de origen eólico, lo que
evitaría por año, consumir 17.4 millones de metros
cúbicos de agua y lanzar a la atmósfera 4.6
millones de toneladas de CO2, considerando desplazamiento de
gas natural
únicamente.
El desarrollo de la capacidad de generación
eléctrica con ciclos combinados a base de gas natural,
puede ir montando la capacidad instalada para utilizar
hidrógeno como combustible, ya que capacidad adicional de
generación eléctrica con energía
eólica, solar y oceánica (Olas, mareomotriz y de
corrientes) dada su naturaleza no
despachadle e intermitente, si pueden ser ampliamente utilizadas
para generar hidrógeno vía procesos
electrolíticos, el que bombeado al altiplano será
fuente de energía y agua potable. El esfuerzo
tecnológico industrial para la instalación de 5000
MW eólicos al año 2010, no terminaría
ahí, sino que sentaría las bases para continuar con
un mayor énfasis, considerando que el tope de capacidad
instalada eolo eléctrica, a mediados del próximo
siglo, será del orden de la capacidad total instalada a la
fecha en el Sistema
Eléctrico Nacional, es decir, alrededor de 30,000
MW.
La apertura del Sector Eléctrico a la
participación privada, social, y paramunicipal a la
generación eléctrica para autoabastecimiento,
cogeneración y pequeña producción
independiente, permitirá efectivamente la inclusión
masiva del aprovechamiento de fuentes renovables de
energía, cuyo carácter
difuso y de baja densidad, las hacen adecuadas para las
explotaciones distribuidas, orientadas básicamente a la
solución de problemas de
abasto energético local. Solo la masividad de estos
aprovechamientos les puede dar sentido en términos de
oferta
nacional de energía, y en el caso particular de la
energía eólica, sólo la masividad y
dispersión de las Centrales Eolo eléctricas
integradas al Sistema Nacional Interconectado, puede tener
sentido en términos de aportación confiable de
energía y capacidad al Sistema Eléctrico
Nacional.
Por lo anterior, el escenario de penetración eolo
eléctrica a considerar, es el único con
racionalidad energética, técnica y
económica: el de llevarla al menos, al 10% de la capacidad
instalada del Sistema Eléctrico Nacional. Lograr esta
penetración para el año 2010, requiere de un
esfuerzo extraordinario, tanto industrial para la construcción de partes y componentes,
así como de exploración, caracterización y
evaluación de sitios de explotación, y finalmente
el proyecto,
construcción y montaje de Centrales Eolo
eléctricas a razón de 500 MW por año, desde
el 2002. Esto implica que, de 1998 al 2001, se tomen todas las
provisiones legales, reglamentarias, fiscales, financieras,
normativas, tarifarías, ambientales, operacionales,
institucionales, y fundamentalmente estratégicas y de
planeación, para que esto pueda ser
posible.
Energía Mini hidráulica. Descripción.
Los sistemas hidroeléctricos relativamente pequeños
pueden abastecer de energía a pequeños poblados. La
fuente de agua puede ser un arroyo, un canal u otra forma de
corriente que pueda suministrar la cantidad y la presión de
agua necesarias, a través de la tubería de
alimentación, para establecer la operación del
sistema hidroeléctrico.
Una vez que el agua de un
caudal se confina en la tubería de alimentación, es
inyectada sobre las aletas de la turbina en el otro extremo. La
turbina, a su vez, impulsa el generador y se produce
energía eléctrica. Hay tres tipos principales de
turbinas, las Pelton, las Kaplan y las Francis, siendo las del
tipo Pelton las más populares debido a su versatilidad
para operar en amplios rangos de caudales y presiones.
Típicamente, en hidroenergía, se asume que se
producirá mayor potencia cuando la presión
dinámica (cuando el agua
está siendo usada) es igual a las dos terceras partes de
la presión estática
(cuando el sistema está cerrado y no hay
flujo).
Energía Mini hidráulica. Recurso.
Los caudales que forman riachuelos y cascadas en las
montañas pueden aprovecharse para impulsar turbinas y
generar energía eléctrica. La
Organización Latinoamericana de Energía
clasifica las centrales generadoras, según su
tamaño, en: micro centrales hasta un límite de 50
KW, minicentrales de 50 a 500 KW y pequeñas centrales
hidroeléctricas de 500 a 5,000 KW. El potencial
hidroeléctrico total nacional se estima en 53,000 MW, del
cuál se tienen identificados 541 sitios con un potencial
de 19,600 MW. Según los datos proporcionados por la CFE el
potencial hidroeléctrico aprovechado actualmente para
generación de electricidad
asciende a los 9,121 MW en 77 centrales con una generación
anual de poco más de 20,000 GWh al año. El
potencial estimado para centrales con capacidades instaladas
menores a los 10 MW se sitúa en çlos 3,250 MW.
Actualmente se han instalado 34 centrales dentro de este rango de
capacidad, en los que se ha instalado una capacidad total de 109
MW, generándose anualmente 479 GWh. Una tarea importante
que se deberá cumplir en breve, a fin de promover el
aprovechamiento de estos recursos, es el
estudio de la factibilidad
técnica y económica de desarrollar proyectos en los
distintos sitios identificados.
Utilizacion de la energia eolica
para usos domesticos.
En este caso el número y tipo de aparatos es muy diverso,
aunque para usuarios acostumbrados a vivir en sentidos aislados
puede establecerse una prioridad de necesidades en el orden que
se da a continuación. Este orden tiene en cuenta criterios
de control y no de consumo.
1.Iluminación de locales.
2.Suministro de agua corriente.
3.Refrigeración-Congelación.
4.Equipos musicales, receptores de radio y televisión.
5.Pequeñas herramientas
de taller y motores
eléctricos (circulares de calefacción).
6.Accesorios electrodomésticos.
Hay que resaltar que, excepto en emplazamientos muy
favorables (lugares muy ventosos), no se considera la posibilidad
de calefacción a partir de aerogeneradores.
Para satisfacer todas estas necesidades, existen dos
tipos de aparatos:
Los comerciales de gran difusión, y por tanto
económicos, pero mal adaptados a esta utilización y
con rendimientos
mediocres, y que normalmente se alimentan con corriente alterna
de 220 V y 50 Hz. Los mejor adaptados, a menudo más
robustos y caros, pero de difusión mucho menor. Vamos a
estudiar cada una de las necesidades en el orden dado y a
determinar los elementos para la elección de los
aparatos.
Iluminación.
Las lámparas de incandescencia clásicas, que
funcionan indistintamente con continua o alterna, se encuentran
con distintos
tipos de casquillo B22 (bayoneta) o E27 (rosca) y potencias
comprendidas entre los 15 y 100 W para las tensiones siguientes:
12, 24, 48, 110-130, 210-230 voltios. Los tubos fluorescentes
pueden alimentarse con continua a través de un convertidor
o transistores a
una frecuencia de 16 Khz a partir de 12 V, 24 V o 110
V.
Vemos claramente que el rendimiento luminoso es superior
con tubos fluorescentes (para un mismo flujo luminoso constante,
la lámpara de incandescencia consume más del doble
de energía). El costo inicial de
instalación es muy superior en el caso del tubo
fluorescente, porque el convertidor es caro, pero el costo de emplear
un tubo fluorescente es prácticamente el mismo que para la
lámpara de incandescencia.
Refrigeración-Congelación.
Los armarios frigoríficos o congeladores más
difundidos, van equipados de compresores
alimentados con corriente alterna. En el momento del arranque se
producen demandas de intensidad 4 a 10 veces superiores a la
nominal, lo cual es muy perjudicial si se emplean convertidores
de continua-alterna estáticos. Es mucho más
interesante emplear refrigeradores-congeladores de
absorción (sin motor) que se
encuentran con capacidades hasta de 250 litros y que funcionan a
12, 24, 110 o 220 V de continua. Pero estos aparatos consumen
mucha energía (1 KWh/ días para 250 litros). Existe
finalmente otro sistema de refrigeración -congelación de
elevado rendimiento, empleando en las embarcaciones Este sistema
consta de un compresor, moviendo por un motor de continua , una
bomba que hace circular agua por el condensador, y la
generación de fría se consigue haciendo circular un
líquido por placas tipos radiador ( placas frías).
La ventaja esencial de este sistema es que sólo funciona 2
horas al día (una por la mañana y otra por la
tarde).
Equipos musicales, receptores de radio y televisión.
El consumo de estos aparatos, actualmente de transistores, es
muy bajo.
Pueden utilizarse: De continua a 9 ó 12 V, bien sea
directamente o a través de un convertidor
continua-continua. Es el caso de los receptores de
televisión, que generalmente pueden funcionar a 12 V. O de
alterna, y su bajo consumo permite alimentadores a través
de un convertidor (ondulador) de continua-alterna de
pequeña potencia (máximo 100W).
Pequeñas herramientas
de taller, motores
eléctricos y electrodomésticos.
Algunos aparatos van provistos de motores
universales que pueden funcionar tanto con corriente continua
como con alterna para una misma tensión, pero tienen muy
poco rendimiento. Excepto para los circuladotes de
calefacción que pueden encontrarse con motores de
continua, es interesante que estos aparatos funcionen 220 o 380 V
50 H :
Utilizando un convertidor estático o
rotativo;
Haciéndolos funcionar directamente a la salida del
aerogenerador, cuando sople el viento y proporcione la
tensión nominal de
salida 220 V 50 H monofásica ó 380 V 50 H
trifásica.
Nota: En caso de que el aerogenerador proporcione una
tensión alterna de las mismas características que
la de la red de
distribución, y que alimente aparatos directamente a la
salida de éste durante los períodos de
funcionamiento, es importante:
No sobrepasar la potencia nominal del aerogenerador;
Vigilar las sobre intensidades de arranque (mínimo, 4
veces superior a la intensidad nominal para motores de
pequeña potencia).
Los convertidores.
Los convertidores son de dos tipos: Continua-continua.
Generalmente formados por reductores o elevadores de
tensión a transistores o tiristores. Permiten adaptar la
tensión de la batería a la de utilización.
Continua-alterna. Pueden ser ondulares estáticos, a
transistores o tiristores, o bien convertidores rotativos. Los
onduladotes a transistores o tiristores son: para potencias
inferiores o iguales a 1000 W y a transistores; para potencias
superiores se emplean tiristores. Estos onduladotes tienen un
rendimiento cercano al 60% y son muy sensibles a las sobrecargas.
En particular, soportan mal las sobré intensidades de
arranque de los motores. Además, ellos mismos presentan
intensidades de arranque 5 a 6 veces superiores a la intensidad
nominal, lo que implica que los dispositivos de mando (fusibles,
seccionadores, contactares,…) deben estar bien
dimensionados.
Los convertidores rotativos. Esencialmente constan de un
motor de corriente continua acoplado a un alternador. La
tendencia es sustituirlos por los estáticos. En
ulizaciones con sobré intensidades de arranque frecuentes,
pueden todavía emplearse con ventaja. Pudiéndose
comprar fácilmente de ocasión.
9. Conclusiones de la
energía eólica
Históricamente las primeras aplicaciones de la
energía eólica fueron la impulsión de
navíos, la molienda de granos y el bombeo de agua, y
sólo hasta finales del siglo pasado la generación
de energía eléctrica. Actualmente las turbinas
eólicas convierten la energía cinética del
viento en electricidad por
medio aspas o hélices que hacen girar un eje central
conectado, a través de una serie de engranajes (la
transmisión) a un generador eléctrico.
En lo que respecta a capacidad instalada, para finales
de 1997 a nivel mundial se tenían instalados alrededor de
7700 MW. En México se cuenta con la central eólica
de la Ventosa en Oaxaca, operada por CFE, con una capacidad
instalada de 1.5 MW y una capacidad adicional en aerogeneradores
y aerobombas, según el Balance nacional de energía
de 1997, de alrededor de 2.4 MW.
Existen varias ventajas competitivas de la
energía eólica con respecto a otras opciones, como
son: Se reduce la dependencia de combustibles
fósiles.
Los niveles de emisiones contaminantes, asociados al
consumo de combustibles fósiles se reducen en forma
proporcional a la generación con energía
eólica.
Las tecnologías de la energía
eólica se encuentran desarrolladas para competir con otras
fuentes energéticas. El tiempo de construcción es
menor con respecto a otras opciones energéticas. Al ser
plantas
modulares, son convenientes cuando se requiere tiempo de
respuesta de crecimiento rápido. La investigación y
desarrollo de nuevos diseños y materiales
para aplicaciones en aerogeneradores eólicos, hacen de
esta tecnología una de las más
dinámicas, por lo cual constantemente están
saliendo al mercado nuevos
productos
más eficientes con mayor capacidad y
confiabilidad.
Aplicaciones y Tecnologías.
Sistemas Eólicos. Descripción.
Un sistema conversor de energía eólica se compone
de tres partes principales: (i) el rotor, que convierte la
energía cinética del viento en un movimiento
rotatorio en la flecha principal del sistema; (ii) un sistema de
transmisión, que acopla esta potencia mecánica de rotación de acuerdo con
el tipo de aplicación. Aplicación para cada caso,
es decir, si se trata de bombeo de agua el sistema se denomina
aerobomba, si acciona un dispositivo mecánico se denomina
aeromotor y si se trata de un generador eléctrico se
denomina aerogenerador.
El rotor puede ser de eje horizontal o vertical,
éste recupera, como máximo teórico, el 60%
de la energía cinética del flujo de viento que lo
acciona. Esta formado por las aspas y la maza central en donde se
fijan éstas y se unen a la flecha principal; el rotor
puede tener una o más aspas. Un rotor pequeño, de
dos aspas, trabaja a 900 revoluciones por minuto (rpm), en tanto
que uno grande, de tres aspas y 56 metros de diámetro, lo
hace a 32 rpm. El rotor horizontal de tres aspas es el más
usado en los aerogeneradores de potencia, para producir
electricidad trifásica conectada a los sistemas
eléctricos de las empresas
suministradoras.
La transmisión puede consistir en un mecanismo
para convertir el movimiento
rotatorio de la flecha en un movimiento reciprocarte para
accionar las bombas de
émbolo de las aerobombas, que en el campo se utilizan para
suministrar agua a los abrevaderos del ganado o a las viviendas.
Para la generación de electricidad normalmente se utiliza
una caja de engranes para aumentar las revoluciones a 900, 1,200
ó 1,800 rpm, para obtener corriente alterna
trifásica de 60 ciclos por segundo.
En la actualidad, la generación de electricidad
es la aplicación más importante de este tipo de
sistemas. Los aerogeneradores comerciales alcanzan desde 500
hasta 1,000 kW de potencia nominal, tienen rotores de entre 40 y
60 m de diámetro y giran con velocidades que van de las 60
a las 30 rpm. Los generadores eléctricos pueden ser
asíncronos o sincronizo, operando a una velocidad y
frecuencia constante, que en México es de 60 hz.. En el
caso de aerogeneradores con potencias inferiores a los 50 kW
también se utilizan generadores de imanes permanentes, que
trabajan a menor velocidad angular (de entre 200 y 300 rpm), que
no necesitan caja de engranes y que, accionándose a
velocidad variable, pueden recuperar mayor energía del
viento a menor costo. Un sistema conversor de energía
eólica es tan bueno como su sistema de control. La
fuerza que
ejerce el viento sobre la superficie en que incide es
función del cuadrado de la velocidad de éste.
Rachas de más de 20 metros por segundo, que equivalen a
más de 70 km/hora, pueden derribar una barda o un anuncio
espectacular, e incluso dañar un aerogenerador si
éste no está bien diseñado o su sistema de
control esta fallando. En los aerogeneradores de potencia, el
sistema de control lo constituye un microprocesador
que analiza y evalúa las condiciones de operación
considerando rumbo y velocidad del viento; turbulencia y rachas;
temperaturas en el generador, en la caja de transmisión y
en los valeros de la flecha principal. Además, muestrea la
presión y la temperatura de
los sistemas hidráulicos de los frenos mecánicos de
disco en la flecha; sus rpm, así como los voltajes y
corrientes de salida del generador. Detecta vibraciones indebidas
en el sistema, optando por las mejores condiciones para arrancar,
parar, orientar el sistema al viento y enviar señales al
operador de la central Eolo eléctrica sobre la
operación del mismo. La torre que soporta al aerogenerador
de eje horizontal es importante, ya que la potencia del viento es
función del cubo de su velocidad y el viento sopla
más fuerte entre mayor es la distancia más alto del
suelo; por
ello, el eje del rotor se sitúa por lo menos a 10 metros
en aerogeneradores pequeños y hasta 50 o 60 metros del
suelo, en las máquinas
de 1000 kW. En un aerogenerador de 500 kW son típicas las
torres de 40 metros, y estas pueden ser de dos tipos: La tubular,
recomendada en áreas costeras, húmedas y salinas, y
la estructural o reticular, propia de regiones secas y poca
contaminación
atmosférica, por ser más baratas y
fáciles de levantar.
Sistemas Eólicos. Tecnologías.
A partir de las diversas experiencias internacionales de
operación de grandes conjuntos de
aerogeneradores modernos, constituyendo centrales eolo
eléctricas, de 1980 a 1995 se evolucionó de la
máquina de 50 kW a la de 500 kW, estando actualmente en
proceso de introducción las unidades de 750 y 1000 kW,
las que se consideran el tope para este tipo de arquitectura y
tecnologías actuales de grandes
aerogeneradores.
La tecnología de materiales
alrededor de los materiales compuestos, que permitan estructuras
más esbeltas y ligeras, más resistentes a la
oxidación y la corrosión, y más fuertes a la vez,
así como de súper magnetos en los generadores,
permitirán desarrollar nuevos conceptos más
confiables y económicos, desde unidades de decenas de
Watts hasta grandes aerogeneradores de potencia, trabajando en
régimen de velocidad variable, aprovechando mejor la
energía del viento y constituyendo junto con la
energía hidroeléctrica, el soporte principal de la
generación eléctrica en los sistemas nacionales.
Para fines del año 2000 se esperan están instalados
en el mundo, más de 14,000 MW. En Europa, Alemania,
Dinamarca, el Reino Unido, España y
Grecia tienen
los programas
más ambiciosos. En España,
la empresa
eléctrica de la Provincia de Navarra tiene planeada la
instalación de 54 Centrales eolo eléctricas y
espera producir más del 50% de la energía que
distribuye. La empresa
eléctrica de la Provincia de Euskadi (País Vasco)
también prevé un desarrollo importante, lo que ha
ocasionado, paradójicamente, que grupos
ecologistas protesten por lo que consideran excesivo.
Para el año 2020, la Asociación Europea de
Energía Eólica, estima tener más de 20,000
MW instalados de potencia eólica para generación de
electricidad. China y la
India son dos
países que han decidido dar un impulso grande a esta forma
de generación eléctrica, para lo cual se han
asociado con empresas europeas para fabricar en esos
países el equipamiento requerido. En América
Latina, Costa Rica y
Argentina llevan
la delantera, con 20 y 9 MW respectivamente. En Argentina son las
empresas eléctricas cooperativas
de la Patagonia las
que han dado el impulso, amen de que las leyes estatales
de la Provincia de Chubut, obligan a un 10% de la
generación eléctrica con energía
eólica. México tiene una central de 1,575 kW en la
Venta, Oaxaca,
con planes de ampliarla a 54 MW. Nicaragua también tiene
planes de instalar una central eólica de al menos 30 MW.
En el Caribe, la empresa
eléctrica de Curazao opera desde marzo de 1994 una
centralita de 4 MW que fue la primera eolo eléctrica en
América
Latina y el Caribe. En México, el desarrollo de la
tecnología de conversión de energía
eólica a electricidad, se inició con un programa de
aprovechamiento de la energía eólica en el
Instituto de Investigaciones
Eléctricas (IIE) en febrero de 1977, cuando la Gerencia
General de Operación de Comisión Federal de
Electricidad, cedió al IIE la Estación Experimental
eolo eléctrica de El Gavillero, en las cercanías de
Huichapan, Hidalgo, donde se pretendía energetizar el
ejido ya electrificado y con servicio, a partir de una
microcentral eólica, integrada por dos aerogeneradores
australianos Dunlite de 2 kW cada uno, un banco de
baterías, y un inversor de 6 kW para alimentar la red de distribución
del poblado. El inversor, construido por personal de CFE,
fallaba arriba de los dos kW de demanda por
problemas de
calidad de
componentes, por lo que físicamente no pudo realizarse el
experimento, sin embargo, estando instrumentado el sitio, se
tenían los promedios horarios de velocidad del viento y
conociéndose las características de respuesta de
los aerogeneradores era posible estimar numéricamente la
energía que podría suministrarse al ejido. El
régimen de vientos del lugar producía exceso de
energía en verano y déficit en invierno para el
consumo normal del poblado.
La Estación Experimental de El Gavillero se
habilitó como centro de prueba de pequeños
aerogeneradores y en ella se construyó además un
simulador de pozo de agua para la prueba y caracterización
de Aerobombas. La Estación estuvo en operación
hasta 1996 en que fue desmantelada. El IIE desarrollo y
probó en El Gavillero, los siguientes prototipos de
aerogeneradores:
1. De 1.5 kW, tres aspas de aluminio, con
control centrífugo de ángulo de
ataque.(1977-1978)
2. El Fénix, de 2 kW, eje horizontal y tres aspas
fijas de lámina de hierro, y
control de cola plegable.(1981-1983)
3. El Albatros I, de 10 kW, eje horizontal, 11 m de
diámetro, tres aspavelas de estructura de
Al y forradas de tela de dacrón de alta resistencia.
(1981-1985)
4. El Albatros II, de 10 kW, eje horizontal, tres aspas
de fibra de vidrio
superdelegada con control por torcimiento del aspa.
(1986-1987)
5. La segunda versión del Fénix, con tres
aspas de fibra de vidrio.
(1992-1995)
6. La Avispa, de 300 Watts, eje horizontal, tres aspas
de fibra de vidrio y control por timón de cola plegable.
(1990-1995)
7. También se desarrolló una aerobomba
mecánica, denominada "Itia", de eje
horizontal, 5 aspas metálicas, con potencia del orden de
1/4 de HP, que bombeaba agua de pozos de hasta 50 m de
profundidad. Este sistema, probado también en El
Gavillero, en el simulador de pozos, fue objeto de una patente
para el IIE, y aunque se concedió licencia para su
fabricación y comercialización, la carencia de un
mecanismo de financiamiento
de riesgo
compartido, la dificultad para la creación de la red de
distribución y servicios,
como la falta de financiamiento
a los usuarios potenciales, impidió su
diseminación.
Las características de los aerogeneradores y su
desarrollo se describen a continuación.
En 1978, un aerogenerador de 1.5 kW con rotor horizontal
de tres aspas de lámina de Aluminio, que
tenían control del ángulo de ataque para regular la
potencia entregada. Después de las pruebas de
caracterización, que resultaron satisfactorias y
corroboraban las expectativas de diseño,
estando parado, frenado y con las aspas amarradas a la torre, un
gran remolino lo impactó, arrancándole dos aspas y
destruyéndolas. Los exámenes posteriores
evidenciaron un error en los procedimientos de
soldadura en
atmósfera
inerte, en el soporte rotatorio del mango del aspa. Dicho
prototipo no fue reconstruido al evidenciarse problemas de
suministro de componentes y materiales, así como del
control de
calidad en los procesos de
fabricación. Con la experiencia adquirida, se
inició el diseño
y desarrollo de un aerogenerador de 2 kW denominado Fénix
-por el ave que resurge de sus propias cenizas- de tres aspas
fijas de lámina de hierro, el que
sometido a pruebas y
mejoras, evolucionó a tres aspas de fibra de vidrio de
alta eficiencia
aerodinámica, generador trifásico de imanes
permanentes y sistema de control a base de timón de cola
plegable, que lo mismo limita la potencia que lo inhabilita para
condiciones de vientos extremos. Este pequeño
aerogenerador es capaz de proporcionar del orden de 250 Kwh. por
mes, lo que permitiría energizar una vivienda rural con
todos los servicios eléctricos usados responsablemente.
Este aerogenerador es también objeto de trámites de
patentes y su transferencia a la industria
está disponible. El Albatros I constituyó el mayor
aerogenerador desarrollado en México, de 10 kW de potencia
eléctrica, en base a un generador de imanes permanentes de
28 polos y rotor de tres aspas de 11 metros de diámetro,
fue concebido para operar como aerobomba eléctrica,
accionando en régimen de velocidad variable, una bomba
eléctrica convencional, sumergida o vertical, de 7.5 a 10
HP, accionada con corriente trifásica a 220 Volts y
frecuencia de 40 a 80 ciclos / segundo, dependiendo de la
velocidad del viento. Del Albatros I se desarrollaron dos
versiones, la aerobomba mecánica, con mecanismo de carrera
variable, para optimizar el aprovechamiento de la energía
eólica en bombas de
émbolo, y la eléctrica, trabajando en
régimen de velocidad variable en la bomba, con el mismo
fin, mejorar la eficiencia. Este
desarrollo se inició con el apoyo económico y
asesoría de VITA (Volunteers in Technical Assistance)
organización no lucrativa de
divulgación técnica de los Estados Unidos
para países en vías de desarrollo, que
recibió financiamiento de la Fundación General
Electric para este proyecto. Los
trabajos posteriores en el Albatros II, y el Itia se realizaron
con fondos proporcionados por el Programa Mar del Plata de
la
Organización de Estados Americanos (OEA). Este
financiamiento en periodo de devaluaciones permitió
habilitar un taller móvil y la construcción de un
Túnel de Viento en la sede del IIE en Temixco,
Mor.
Durante las pruebas de la versión
eléctrica del Albatros I en El Gavillero, vientos
enrachados estando en operación, provocaron la fractura de
la estructura de
aluminio de una aspavela, partiéndose a la mitad. La
estructure del aspavela falló por errores en el proceso de
soldadura al
recalentar el larguero principal y degradar sus
características de resistencia a la
tracción, fracturándose con el esfuerzo. El
dacrón importado, de alto costo y las dificultades
constructivas de la estructura de la aspavela, llevó a
reconsiderar el diseño del rotor. El Albatros II, se
desarrollo también alrededor del concepto de la
vela, sin usar una tela de alta resistencia, alto costo y de
importación, sino un remedo semi
rígido de fibra de vidrio, en que por torsión del
aspa se varían las características
aerodinámicas de la misma y se controla y limita la
potencia transferida al rotor. Este aerogenerador, mucho
más esbelto y sencillo, funcionaba bien en sus primeras
pruebas operacionales. Antes de ser instrumentado para su
caracterización, ya que en la Estación de El
Gavillero se probaban simultáneamente otros dos
aerogeneradores, -el Fénix de 2 kW y el Colibrí de
5 kW, el único aerogenerador fabricado y comercializado en
México desde principios de los
80's-, lo impactó un gran remolino, estando parado y
frenado, levantando el conjunto de bastidor y rotor, de
más de 600 kilos, al menos 30 centímetros para
sacarlo del mecanismo de tornamesa que en la cúspide de la
torre de 18 metros, permite la orientación del conjunto
para darle la cara al viento cuando está en
operación. La caída fue catastrófica, ya que
el conjunto del rotor, de tres aspas y 11 metros de
diámetro, con largueros de aluminio, fue totalmente
destruido. El IIE elaboró los anteproyectos de un
aerogenerador de 50 kW y de otro de 100 kW para ser montado en
las inmediaciones de la Estación de El Gavillero junto a
un pozo profundo donde se instaló una bomba de 100 HP.
Proyecto que careció de respaldo económico para su
ejecución.
Los recortes presupuéstales, obligaron a
concentrarse nuevamente en pequeños aerogeneradores,
desarrollándose el Avispa de 300 Watts, utilizando un
alternador de automóvil, el que producido industrialmente
con un generador de imanes permanentes sería nominalmente
de 500 Watts. El Avispa resume la experiencia de más de
una década diseñando, construyendo y probando
aerogeneradores. Desde su diseño se consideraron tres
criterios básicos, su confiabilidad y su reproducibilidad
industrial a bajo costo. Este aerogenerador es objeto de patentes
en trámite, por soluciones
novedosas en los mecanismos de control y ensamble. El Avispa,
equivalente ahora a seis paneles fotovoltaicos de 50 Watts pico,
permitiría en una vivienda rural, energizar el alumbrado
con lámparas fluorescentes compactas, el radio durante el
día y una televisión en la noche, así como
un pequeño refrigerador, ya que proporcionaría del
orden de 50 Kwh. al mes, en condiciones adecuadas de viento (5
m/s de promedio anual). En el IIE se desarrollo también un
pequeño aerogenerador de 50 Watts de 90 centímetros
de diámetro, cuyo objetivo
inicial era la recarga de las baterías automotrices usadas
en energizar los anemómetros electrónicos con los
que se realizaban los estudios del viento en los sitios de
interés. Los anemómetros
requerían al cabo de un mes de mediciones continuas que se
reemplazaran las memorias y la
batería por una recién cargada. La
instalación de un pequeño aerogenerador en el
mástil de los anemómetros mantendría
permanentemente un nivel adecuado de carga en la batería.
El desarrollo de la electrónica de estado sólido,
permitió diseñar anemómetros
electrónicos de muy bajo consumo eléctrico, siendo
suficiente un par de pilas alcalinas para sustituir la
batería automotriz. El Instituto de Investigaciones
Eléctricas, ha sido la única institución que
por veinte años ha mantenido una ruta consistente de
desarrollo de sistemas conversores de energía
eólica, lo que se complementó con el desarrollo de
anemocinemógrafos
electrónicos, sistemas de prueba y adquisición de
datos, un túnel de viento con un sistema de
adquisición de datos en tiempo real, un laboratorio
móvil de meteorología eólica, un taller
móvil y la Estación Experimental de El Gavillero,
Hgo.
Al lado de estas actividades, otras instituciones
han incursionado en el desarrollo de sistemas conversores de
energía eólica, como la Facultad de Ingeniería de la Universidad
Autónoma del Estado de México, que
desarrolló el Ehecatl de 1 kW. El Instituto de Ingeniería de la UNAM junto con el Centro
de Investigaciones Biológicas de Baja California Sur, que
desarrollaron otro prototipo de 1 kW. Las Facultades de
Ingeniería de la Universidad
Veracruzana y de la Universidad de Zacatecas, han realizado como
trabajo de tesis,
prototipos de pequeños aerogeneradores, usando
alternadores automotrices.
A mediados de 1994 entró en operación en
la Venta, Oaxaca,
una central eolo eléctrica de 1,575 kW, constituida por 7
aerogeneradores Vestas (Daneses) de 225 kW cada uno, como
resultado de una licitación pública convocada por
CFE. Esta central, construida en un lugar donde el IIE
realizó mediciones desde 1984 y ubicó el sitio como
uno de los más ventosos en el Sur del Istmo de
Tehuantepec, presenta factores de planta anuales del orden del
60%, cuando la media en Dinamarca y California es del orden del
25%. Esta minicentral representa la primera experiencia para CFE
de la interconexión de eolo eléctricas al sistema
eléctrico interconectado.
- Machinery's Handbook (Erik Oberg y Franklin D.
Jones) - Atlas de Meteorología (R. Candal
Vila) - Prontuario de Meteorología y
Oceanografía (Serie KOEL) - Enciclopedia Visual (Colección
EDUCAR) - El hobby de la construcción (Campero di
Napoli) - Manual Práctico del Automóvil
(Colección CULTURAL) - Diccionario de Sinónimos y Antónimos
(Colección CULTURAL) - Texas Renewable Energy Resource Assessment. Julio
1995. - Encarta 2000
- ENCICLOPEDIA OCÉANO. Editorial Océano.
1997. - http://www.Monografias.com
- http://www.renovables.com/
Autor:
Erik Mireles Ornelas
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