Energía Eólica y Aerogeneradores

Francesco Massa

Philippe Gentillon

Rodrigo Hormazábal

Energías Alternativas para un Desarrollo Sustentable

¿De dónde viene la energía eólica?

• Todas las fuentes de energía renovables (excepto la mareomotriz y lageotérmica), e incluso la energía de los combustibles fósiles, provienen,en último término, del sol.

• Alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energía proveniente del sol esconvertida en energía eólica.

La fuerza de Coriolis

• La Tierra está girando si lamiramos desde una cámarasituada en el espacio exterior. Elcono se está moviendo rectohacia el sur.

• La razón por la que el cono nose mueve en la dirección a laque está apuntando es quenosotros, como observadores,estamos girando con el globo.

Vientos Globales

• Teniendo en mente la fuerza de curvatura de la fuerza de Coriolis,obtenemos los siguientes resultados generales de las direcciones delviento dominantes:

Los vientos globales• influenciados principalmente, por las diferencias de

temperatura, así como por las de presión.• Apenas son influenciados por la superficie de la tierra.• Se encuentran a una altura de 1.000 metros a partir del nivel

del suelo.

Vientos locales

• Aunque los vientos globales son importantes en la determinación delos vientos dominantes de un área determinada, las condicionesclimáticas locales pueden influir en las direcciones de viento máscomunes. Los vientos locales siempre se superponen en lossistemas eólicos a gran escala, esto es, la dirección del viento esinfluenciada por la suma de los efectos global y local.

Situación mundial de energía eólica

Proyectos eólicos en Chile

Canela I• Endesa-Chile • 18,5 MW• Vestas 1,65 Mw

Canela II• Endesa-Chile • 60 MW• Acciona 1,5 Mw

Monte redondo• GDF Suez-Francia • 38 MW• Vestas 2,0 Mw

Totoral• SN Power-Noruega• 18,5 MW• Vestas 1,65 Mw

Incentivos en la legislación chilena

• Ley 19.940 (Ley corta I) año 2004

– Derecho a vender energía en mercado spot y potencia aprecio de nudo.

– Asegura conexión (<9 MW) a redes de distribución.

– Exención total de peaje troncal para <9 MW; y exenciónparcial de peaje troncal para 9-20 MW.

• Ley 20.018 (Ley corta II) año 2005

– Permite participación en licitaciones de suministro dedistribuidoras.

– Creación de mercado para ERNC, en condiciones de precios similares a energías convencionales.

– Derecho a suministrar el 5% de la demanda de la distribuidora a precios competitivos.

Incentivos en la legislación chilena

• Ley 20.257:

– Empresas generadoras 5% ERNC 2010-2014.

– De 2015 a 2024, aumento 0,5% anual.

– 10% a partir de 2024 y hasta 2034.

– 0,4 UTM por cada MWh de déficit respecto de su obligación.

– Si dentro de los 3 años incumple, el cargo ascenderá a 0,6 UTM.

Algunas conclusiones

• Muchos proyectos aprobados en SEIA no serán ejecutados, debido a

– Bajos factores de planta. Menos del 25%.

– Dificultades para cerrar contratos comerciales.

– Problemas en el financiamiento de proyectos.

• La entrega de beneficios se enfoca a centrales de baja potencia 9 MW.

• No se apoya significativamente la implementación de centrales mayores.

• Todavía faltan incentivos legales para hacer de las ERNC una opción mas atractiva.

• Se exige aun un muy bajo porcentaje del uso de ERNC.

Medición de la velocidad del viento:

• Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmenteusando un anemómetro de cazoletas o rodetes.

• El número de revoluciones por segundo son registradas electrónicamente.

• Normalmente, el anemómetro está provisto de una veleta para detectar ladirección del viento.

• Otros tipos de anemómetros incluyen ultrasonidos o anemómetrosprovistos de láser que detectan el desfase del sonido o la luz coherentereflejada por las moléculas de aire.

Calibración de anemómetros

Los anemómetros de calidad son una necesidad

• Los anemómetros económicos no resultan de utilidad en las mediciones de la velocidad de viento serias.

– pueden ser muy imprecisos y estar pobremente calibrado.

– con errores en la medición de incluso un 10%.

Ejemplo:

– Se expone a considerar un viento de 1,13 lo que se traduce en un 33% mas de energía.

– Si lo que tiene que hacer es recalcular sus mediciones para una altura de buje del aerogenerador distinta, este error cometido anteriormente podría llegar a un 75%.

Los anemómetros de calidad son una necesidad

Mediciones de la velocidad del viento en la práctica

• La mejor forma de medir la velocidad delviento es situar un anemómetro en elextremo superior de un mástil que tenga lamisma altura que la altura de buje esperadade la turbina que se va a utilizar.

• Para evitar el abrigo del vientonormalmente se utilizan postescilíndricos delgados, tensados con vientos,en los que se colocan los mecanismos demedición del viento.

El registrador de datos

• Los datos de las velocidades y direcciones del viento obtenidos por elanemómetro son recogidos en un chip electrónico en una pequeñacomputadora, el registrador de datos ('data logger'), que puedefuncionar con batería durante un largo período de tiempo.

• Las velocidades del viento son medidas en medias de 10 minutos paraque sea compatible con la mayoría de programas estándar

La rosa de los vientos

• La Rosa de los Vientos es esencial para determinar el emplazamiento de la instalación.

• Sirve para mostrar la información sobre las distribuciones de velocidades del viento y la frecuencia de variación de las direcciones del viento.

Características:• Se divide la rosa en 12 sectores abarcando

30º cada uno.• El radio de las cuñas amplias proporciona la

frecuencia relativa de cada una de las direcciones del viento.

• La segunda información entrega la misma información anterior pero multiplicada por la media de la velocidad del viento en cada dirección.

• La cuña roja multiplica esta frecuencia relativa por el cubo de la velocidad del viento en cada dirección.

NRG Systems

Potencia y energía disponible en el viento

El viento es masa en movimiento → Energía cinética

¡Eso es lo que nos interesa del viento! Si somos capaces de extraer esa energía cinética y convertirla en otra forma de energía útil, hemos cumplido nuestro objetivo.

Potencia y energía disponible en el viento

¿De qué depende la cantidad de energía que podemos extraer del viento?

-Densidad del fluido de trabajo (en este caso, aire).

-Área transversal al viento (por ejemplo, el área que describe el rotor)

-Velocidad del viento

La potencia disponible en el viento (o cantidad de energía cinética que cruza cierta área por unidad de tiempo) puede calcularse como:

3

2

1VAP

Potencia y energía disponible en el viento

Ahora bien, ¿es posible extraer toda esta energía del viento?¿Qué implicancias tendría esto?

¿?

Sería ideal poder extraer toda la energía cinética del viento, aprovechándola al máximo. Pero esto significaría que el volumen de aire de masa m quedaría sin energía cinética, es decir, ¡sin velocidad!

2

2

1VmEc

2

2

1VmEeléctrica

En esas condiciones no es posible seguir extrayendo energía de manera continuada, no es una situación que pueda mantenerse en el tiempo.

V = 0 V ≠ 0

Entonces: - si no cambia la energía cinética, no se extrae energía.- si la consumimos totalmente, ¡no podemos seguir generando!

Por lo tanto, da la impresión que debe existir un límite, un valor óptimo para extraer la mayor cantidad de energía , que depende de la relación entre las velocidades antes y después del molino de viento.

Potencia y energía disponible en el viento

Ley de Betz

Ese valor se conoce como el límite de Betz.Albert Betz se basó en el siguiente diagrama para deducir su famosa ley:

En todo su análisis, Betz realizó tres supuestos fundamentales para idealizar tanto al molino eólico de prueba como al flujo de aire:

- El molino no tiene góndola y tiene una cantidad infinita de aspas, que no presentan arrastre alguno.- El fluido es incompresible (densidad constante en el proceso)- El flujo es unidireccional y no se sale del volumen de control establecido.

Con esto en mente, logró llegar a la siguiente relación entre la potencia y las velocidades de entrada y salida:

Si se deriva P en función de la fracción , para un valor dado de V1, se puede encontrar el valor de la fracción para el cual se maximiza la potencia extraída. Este valor es 1/3. Sustituyendo esto en la ecuación para la potencia, se tiene:

Ley de Betz

3

1

2

1

2

2

1

23

1 14

1

V

V

V

V

V

VVAP

1

2

V

V

32

3

13

1

3

1

3

11

4

1VAP

Lo que equivale a:

Si escribimos el término 16/27 como Cp ( que desde ahora llamaremos coeficiente de potencia), la ecuación queda:

O también:

Ley de Betz

3

2

1

27

16VAP

3

2

1VACP P

teórico

realP

P

PC

Potencia y energía disponible en el viento

Con ello, puede verse que el valor del límite de Betz , o el Cp ideal, es de aproximadamente 0,593, es decir, cómo máximo puede extraerse un 59,3% de la energía cinética total del viento.

Curvas características

Parece algo bajo este porcentaje, ¿no? Hay por lo menos un 40% de energía en el viento que no puede ser aprovechada por un único molino.Además, en la práctica, todos los aerogeneradores operarán por debajo de este límite, llegando a tener eficiencias cercanas al 50% como máximo.

Molinos eólicos

Tipos de Molinos:

División por finalidad:-Aerogeneradores – Molinos eólicos que generan electricidad.-Aerobombas – Molinos eólicos que bombean agua.

División por posición del eje:-Eje Horizontal-Eje Vertical

División por principio de funcionamiento:-Sustentación-Arrastre

Aerogeneradores

Los aerogeneradores son molinos eólicos que generan electricidad.Existen desde aerogeneradores de baja potencia (alrededor de 500 [W], incluso menos), hasta mega-aerogeneradores comerciales de cerca de 6 [MW].

Bergey XL-1, 1 [KW] Enercon E-112, ~ 6 [MW]

Aerogeneradores

Los aerogeneradores son siempre parte de sistemas más complejos, por ejemplo, un sistema doméstico esquematizado, que no alimenta a la red:

Controlador de Carga

Disipador de seguridad

Inversor

Banco de Baterías de

Ciclo Profundo

Consumo

Aerobombas

Las aerobombas están diseñadas para elevar agua.Es común encontrarlas en zonas rurales: el agua elevada se suele utilizar para regadío, para consumo humano o para el ganado.

Proyecto GEA “Aerobomba Chincolco”, [2007- 2008]

Aerobombas

Por lo general, no es necesario bombear agua a grandes velocidades, por lo que las aerobombas suelen ser de bajas rpm pero alto torque.

Es por esta razón que una de las aerobombas más comunes, la multipalaamericana, tiene – precisamente –una gran cantidad de palas:

Aerodinámicamente no son muy eficientes a altas velocidades (la gran cantidad de palas generan demasiado arrastre), pero , al mismo tiempo, tener tantas palas le permiten tener un alto torque en comparación a otros molinos.

Eje horizontal

Los aerogeneradores y aerobombas más comunes son los de eje horizontal. Esto se debe a que, en general, son más eficientes que sus contrapartes de eje vertical:

Eje horizontal

Algunos ejemplos de aerogeneradores de eje horizontal:

Eje Vertical - Ventajas

Son menos comunes ya que, en general, son menos eficientes que sus contrapartes de eje horizontal. Sin embargo, tienen una serie de ventajas intrínsecas:

•Se puede colocar el generadoreléctrico y los sistemas de reducciónmecánicos cerca del suelo. Mayorfacilidad de mantenimiento.

•No necesitan de un sistema de orientación al viento.

Eje Vertical - Desventajas

Por otro lado, los aerogeneradores de eje vertical también presentan desventajas, además de su ya mencionada menor eficiencia comparativa:

•En diseños como el de la foto, parte delrotor se encuentra cerca del suelo y ,por ello, enfrentado con vientos de altaturbulencia.

•Algunos sistemas de eje vertical necesitan un motor de partida para comenzar a girar.

•Pueden necesitar “vientos” o cables de sujeción – los cuales resultan poco prácticos en zonas pobladas o de uso agrícola.

•Realizar reparaciones mayores puede implicar desmontar la estructura completamente.

Eje Vertical: Tipo Darrieus

Por tipo Darrieus se entiende a aquellos aerogeneradores de eje vertical que funcionan principalmente por efecto de la sustentación.

Diseño de las palas requiere de un detallado estudio aerodinámico. Un esquema sencillo:

Eje Vertical: Tipo Darrieus

Algunos ejemplos:

Eje Vertical: Tipo Savonius

Por otro lado, están los rotores de tipo Savonius, que funcionan por arrastre, lo cual los hace irremediablemente menos eficientes que un aerogenerador Darrieus. El diseño clásico de Sigurd Savonius, de ca. 1922:

Aunque son menos eficientes, presentan muchas características atractivas:

•Son de tecnología y construcción comparativamente simple.•No utilizan materiales exóticos: incluso pueden ser construidos con chatarra.•Funcionan a revoluciones relativamente bajas y tienen alto torque: funcionan bien como aerobombas.•Pueden aprovechar los vientos turbulentos que se generan a baja altura mejor que los que funcionan por sustentación.

Eje Vertical: Tipo Savonius

Gracias a las características antes mencionadas, las variaciones del modelo Savonius original proliferan:

¿Eje vertical u horizontal?¿Arrastre o sustentación?

Entonces, ante tal cantidad de diseños, ¿qué tipo de molino eólico nos conviene? ¿cuál es el mejor? Cada situación es diferente y debe ser analizada por separado. En términos generales:

•Para sistemas comerciales se prefieren aerogeneradores de eje horizontal, que funcionan por sustentación . Otorgan una mayor eficiencia y pueden ser instalados a gran altura.

•Para sistemas domésticos se suelen utilizar aerogeneradores de eje horizontal, pero es cada vez más común ver modelos de eje vertical.

¿Eje vertical u horizontal?¿Arrastre o sustentación?

•Para aerobombeo se utiliza tradicionalmente el molino multipala, pero en muchos países subdesarrollados se utilizan rotores Savonius, debido a que son más accesibles.

•En zonas extremas y para aplicaciones con condiciones de trabajo adversas se suelen utilizar aerogeneradores de tipo Savonius, gracias a su robustez y resistencia.

Aerogenerador Savonius Helicoidal

• Diseñar, construir e instalar un aerogenerador de tipo Savonius, con un giro helicoidal en sus palas y la torre de medición eólica.

• Realizar mediciones y recopilar datos suficientes para caracterizar la turbina completamente, evaluando la factibilidad de utilizar este diseño para aplicaciones de aerobombeo y aerogeneración a baja escala y a bajo costo.

• Sentar una base para futuros proyectos en torno a aerogeneradores de eje vertical.

Objetivos del proyecto

Desventajas del tipo Savonius:

• Dependencia del recurso eólico.

• El Savonius Tradicional tiene una baja eficiencia en el aprovechamiento del recurso eólico, con coeficientes de potencia cercanos al 15%.

Desventajas y Ventajas del Savonius

Ventajas del tipo Savonius:

•Eje vertical – No requieren de un sistema de orientación al viento.

•Acepta mucho mejor los vientos turbulentos que las turbinas que funcionan por sustentación.

•Se frenan automáticamente al llegar a cierta velocidad límite (no se requiere sistema de freno).

•Costo comparativamente bajo.

•Requieren bajo mantenimiento.

Desventajas y Ventajas del Savonius

¿Por qué el giro helicoidal?

• Torque de eje más uniforme a lo largo del giro.

• Minimiza las vibraciones.

• Torque negativo (contrario a la dirección de rotación) sea eliminado.

• Mejora la durabilidad del aerogenerador

• Diseño, estudio, pruebas en el túnel de viento.

Fase 1

¿Qué se quiso determinar?

Fase 1

Fase 2

• Construcción del prototipo

Fase 3

• Instalación del prototipo en Quebrada Verde; instalación de la torre del anemómetro.

Fase 4

• Desarrollo del sistema eléctrico y de controlelectrónico necesarios para la recopilación dedatos y almacenamiento de energía.

Fase 5

• Medición y análisis de los datos.

Datos obtenidos de las pruebas para generar información necesaria paracaracterizar a este aerogenerador.

Además servirán de referencia para investigaciones y proyectos futuros.

Fase 6

• Analizar la factibilidad de instalaraerogeneradores y/o aerobombas con el sistemaSavonius Helicoidal

Aerogeneradores de Eje Horizontal

• Factores de Diseño

Partes de un Aerogenerador de eje horizontal

• Orientación de la Torre

• Sistema de Control

• Cantidad de Palas

Factores de Diseño

• Barlovento: Rotor delante de la torre– Al pasar las palas por las cercanías de la torre la potencia cae

sensiblemente

– Es necesario un rotor más rígido.

– Se requiere de un sistema de orientación.

Orientación de la Torre

• Sotavento: Rotor detrás de la torre– No requiere de dispositivos de reorientación.

– Materiales más flexibles para las palas.

– Fluctuación de la potencia del viento, debido a la sombra de la torre.

Orientación de la Torre

• Sistemas Pasivos de Orientación

– Aleta estabilizadora:

• Para aerogeneradores lentos y de baja potencia

• Inestable con vientos arremolinados

• Implementados en turbinas barlovento

Orientación de la Torre

• Sistemas Pasivos de Orientación

– Hélice auxiliar:

• Sistema sinfin corona se activa cuando el rotor no está orientado en la dirección del viento.

• Mayor suavidad de funcionamiento que la aletaestabilizadora.

• Introducción elementos dentados al sistema.

Orientación de la Torre

• Sistemas Activos de Orientación

– Dispositivos de Servomotor:

Orientación de la Torre

• Regulación por frenos aerodinámicos

• Regulación de paso con servomotores

• Regulación control electrónico de potencia

• Regulación por orientación del rotor

Sistema de Control

• Regulación del ángulo de inclinación de las palas

• Aerogeneradores de baja potencia

Regulación por frenos aerodinámicos

Regulación de paso con servomotores

• Aerogeneradores de Alta Potencia

• Permite el control de la potencia activa bajo todas las condiciones de viento

• Óptima perfomance aerodinámica del rotor

• Arranque a bajas velocidades de viento ajustando el ángulo al valoradecuado

• Disminución y uniformidad de las cargas sobre las palas paraelevadas velocidades de viento

• En caso de emergencia palas quedan en posición de bandera.

• Ingeniería compleja y muy costosa

Conexión que articula el eje del rotor con el eje de transmisión o poniendo una conexión excéntrica que haga que la fuerza de empuje del viento produzca un par que desoriente el plano del rotor.

Regulación por orientación del rotor:

Regulación por control electrónico de potencia

• Aerogeneradores de alta potencia

• Se puede controla mediante resistencias rotóricas controladas porun micro controlador y activadas mediantes interruptores estáticos

• Bajo rendimiento en la máquina.

Regulación por control electrónico de potencia

• Método de Kramer o accionamiento en cascada subsincrónica

• Rendimiento notablemente superior

• Reemplazar la resistencia adicional por un convertidor puentecontrolado, operando en el modo inversor, es decir, con ángulosde disparo en los tiristores entre 90◦ y 180◦.

• Número Impar de palas:

• Monopala:

– Menor costo

– Menor inercia

– Velocidad de giro mas rápida

– Altos niveles de ruido

– Alto impacto visual

– Desequilibrio aerodinámico que puede provocar efectos serios de fatiga

Cantidad de Palas

• Bipala

– Menor costo

– Altos niveles de ruidos

– Rotor Basculante.

Cantidad de Palas

• Tripala

– Sistema más usado.

– Más estable

– Más confiable

– Más costoso que mono y

bipala

Cantidad de Palas

• Visite

• www.gea.usm.cl / Página Web Generación de Energías Alternativas GEA-UTFSM

• www.piea.usm.cl / Página Web Programa de Iniciativas Estudiantiles Académicas PIE-A

• www.savoniushelicoidal.cl /Página Web Proyecto Savonius Helicoidal

• http://www.parquequebradaverde.cl/ / Página Web Parque Quebrada Verde

• Contacto:

• gea@usm.cl

Rodrigo Hormázabal Francesco Massa Philippe Gentillon

rohormaz@gmail.com francesco.massa@gmail.com pgentillon@gmail.com

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