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La energía eólica




Partes: 1, 2

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.

1. Introducción

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."

2. Aerogeneradores

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:

  1. Generador de corriente continua (dínamo).
  2. 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:

  1. u = E - R * i
  2. E: fuerza electromotriz de la dínamo.
  3. R: resistencia de inducido.
  4. 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:

  1. -dínamo: tensión en vacío X 2;
  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.

Partes: 1, 2

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