diseño maquinas eolicas sin multiplicador etsiim industriales

8/17/2019 Diseño Maquinas Eolicas Sin Multiplicador Etsiim Industriales

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Diseño de MáquinasEólicas sin

Multiplicador

Gloria Erades 98484Julian A. Durán 98482Carlos Gonzalez

Sergio Molina 97293Luis Costero 00615Ángel Ortiz 97323Laura Reques 97368

E.T.S.I.I. U.P.M.

Sexto Máquinas

Plan 76


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DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

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1. INTRODUCCIÓN ......................................................... ........................................................ ........................... 3

1.1 PREFACIO ........................................................... ............................................................. ........................... 3 1.2 HISTORIA DE LA ENERGÍA EÓLICA ......................................................... ............................................. 3 1.3 TIPOLOGÍA DE AEROGENERADORES EÓLICOS.................................................... ........................... 10

1.4 UTILIZACIÓN DEL VIENTO COMO FUENTE DE ENERGÍA..................................................... ......... 16 1.5 ENERGÍA APROVECHABLE DEL VIENTO................................................................. .......................... 20 1.5.1 COEFICIENTE DE POTENCIA.......................................................................................................... 21 1.5.2 TEORÍA DE BETZ ................................................... ....................................................... ..................... 22

1.6 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ENERGÍA OBTENIDA POR EL AEROGENERADOR............. 23 1.6.1 DENSIDAD DEL AIRE........................................................................................................................ 23 1.6.2 ÁREA BARRIDA POR LOS ÁLABES DEL ROTOR............................................................................. 23 1.6.3 VELOCIDAD DEL VIENTO.......................................................... ...................................................... 24

1.7 NOCIONES SOBRE LA AERODINÁMICA DE LAS PALAS ................................................................. 25 1.8 PARTES DE UN AEROGENERADOR...................................................... ............................................... 28

1.8.1 ROTOR................................................................................................................................................. 29 1.8.2 CAJA DE ENGRANAJES..................................................................................................................... 30 1.8.3 GENERADORES ELÉCTRICOS.......................................................................................................... 31 1.8.4 SISTEMAS DE REGULACIÓN DE POTENCIA Y VELOCIDAD ....................................................... 31 1.8.5 SISTEMAS DE ORIENTACIÓN........................................................................................................... 32 1.8.6 CONEXIONES A RED ............................................................... .......................................................... 32 1.8.7 DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD....................................................................................................... 33 1.8.8 ELECTRÓNICA DE CONTROL.......................................................................................................... 34 1.8.9 ACOPLAMIENTOS MECÁNICOS...................................................................................... ................. 35 1.8.10 ESTRUCTURA SOPORTE, CHASIS O GÓNDOLA.......................................................................... 35 1.8.11 TORRES ...................................................... .............................................................. ......................... 36

1.9 ESTADO DE LA TECNOLOGÍA “SIN MULTIPLICADOR”............................................................ ....... 36 1.9.1 COMPARACIÓN MERCADO MÁQUINAS CON/SIN MULTIPLICADOR ........................................ 37 1.9.2 ANÁLISIS DE COSTES DE LAS TECNOLOGÍAS CON/SIN MULTIPLICADOR.............................. 40 1.9.3 DISCUSIÓN......................................................................................................................................... 41

1.10 IMPACTO AMBIENTAL.............................................................................. ........................................... 41 1.10.1 INTRODUCCIÓN......................................................... .............................................................. ....... 41 1.10.2 IMPACTO SOBRE LA VEGETACIÓN ......................................................................... ..................... 42 1.10.3 RUIDO ....................................................... ........................................................... ............................. 42 1.10.4 IMPACTO VISUAL........................................................ ............................................................. ....... 43 1.10.5 IMPACTO SOBRE LAS AVES ........................................................................................................... 44

2. TURBINAS EÓLICAS CON GENERADORES DE CONEXIÓN DIRECTA: POSIBLES

TIPOLOGÍAS DE GENERADOR........................................................... ......................................................... 44

2.1 INTRODUCCIÓN ......................................................... .............................................................. ............... 45 2.2 GENERADOR DE INDUCCIÓN DIRECTA O ASÍNCRONO ................................................................. 45 2.3 GENERADORES TIPO SRM (SWITCHED RELUCTANCE MACHINE) .............................................. 49 2.4 GENERADORES SÍNCRONOS CON EXCITACIÓN ELÉCTRICA ....................................................... 51 2.5 GENERADORES SÍNCRONOS DE MAGNETIZACIÓN PERMANENTE............................................. 54

2.5.1 MÁQUINAS DE FLUJO RADIAL........................................................................................................ 56 2.5.1.1 Máquinas de flujo radial-longitudinal ............................................................ ............................... 56 2.5.1.2 Aspectos sobre el material conductor y magnético en las RFPM.................................................. 61 2.5.1.3 Máquina de flujo radial modular .................................................... ............................................... 62 2.5.1.4 Uso de técnicas de concentración de flujo ......................................................... ........................... 63 2.5.1.5 Uniformización del par mediante uso de imanes curvados ........................................................... 64

2.5.2 MÁQUINA DE FLUJO RADIAL TRANSVERSAL............................................................................... 67 2.5.3.1 Máquinas de flujo axial de imán permanente ranuradas ............................................................... 72 2.5.3.2 Máquinas de flujo axial con un estator y un rotor ........................................................... .............. 73 2.5.3.3 Máquina TORUS con un estator sin dentado y dos rotores.......................................................... 74 2.5.3.4 Estator con dientes y dos rotores........ ............................................................... ........................... 76 2.5.3.5 Máquina de imán permanente de flujo axial interior........................................ ............................. 76 2.5.3.6 Máquina de flujo axial circunferencial............................... ........................................................... 77

2.6 COMPARACIÓN ENTRE DIFERENTES TIPOS DE MÁQUINAS................................................... ...... 80 2.6.1 INTRODUCCIÓN.................................................... ............................................................. ............... 80


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2.6.2 TIPOS DE MAQUINAS ESTUDIADAS.......................................................... ..................................... 82 2.6.3 COMPARACIÓN DE DATOS ENTRE LAS DISTINTAS MÁQUINAS ................................................ 83

2.6.3.1 Máquina de imán permanente con flujo axial y hueco de aire (AFPM) frente a RFPM ............... 83 2.6.3.2 Máquina de imán permanente de flujo transversal (TFPM) frente a RFPM ................................. 84 2.6.3.3 Máquina RFPM con concentración del flujo frente a RFPM con imanes superficiales ............... 85

2.6.3.4 Máquinas con imanes permanentes con flujo axial interior frente a otras..................................... 87 2.6.4 RESULTADOS DE LA COMPARACIÓN DE DATOS ENTRE LAS DISTINTAS MÁQUINAS........... 87

3. CONEXIÓN ENTRE EL GENERADOR Y LA RED DE SUMINISTRO.......... ...................................... 88

3.1. INTRODUCCIÓN ........................................................... ........................................................... ............... 88 3.2. RECTIFICADORES TRIFASICOS......................................... ....................................................... ........... 90

3.2.1.RECTIFICADOR TRIFASICO DOBLE ONDA (DIODO PUENTE RECTIFICADOR)..................... 90 3.2.2. DIODO PUENTE RECTIFICADOR CON BOOST CONVERTIDOR................................................ 93 3.2.3. PWM RECTIFICADOR....................................................................................................................... 93

3.3.INVERSOR TRIFÁSICO EN PUENTE ....................................................... .............................................. 94 3.4 TIPOS DE INVERSORES MAS FRECUENTES............................ ........................................................... 99

3.4.1 LINE COMMUTATED INVERTER (LCI).......................................................... ................................ 100 3.4.2 VOLTAGE SOURCE INVERTER (VSI) .................................................................. ........................... 103 3.4.3 COMBINACIÓN DE INVERSORES............................................................ ...................................... 106 3.4.4 CONCLUSIONES RESPECTO A LOS INVERSORES................................................ ....................... 108

4.MODELOS DE AEROGENERADORES SIN MULTIPLICADOR ........................................................ 108


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Molino Persa

Primeramente aparecieron los molinos de eje vertical: Un número determinado

de velas montadas verticalmente unidas a un eje y empujadas por el aire

reemplazaron el accionamiento animal para proporcionar un movimiento giratorio. Es

bien conocido el hecho de que a mediados del siglo VII a.C. los molinos de viento

eran máquinas bien conocidas en esa parte del mundo, aunque se tratara dediseños bastos y mecánicamente ineficientes.

Los chinos utilizaban desde tiempos inmemoriales los molinos de viento

llamados panémonas, que se usaban para bombear agua. También eran de eje

vertical y sus palas estaban construidas a base de telas sujetas a largueros de

madera. La posición de las palas podía variarse para regular la acción del viento

sobre el molino.

En la Edad Media el molino de viento en conjunto con el molino de agua fueron

las máquinas más importantes antes de la revolución industrial. En este tiempo

giraban alrededor de 200.000 molinos de viento.

El siglo XVII es un siglo de grandes avances científicos y tecnológicos. Sin

embargo, las innovaciones no alteraron el formato exterior de los molinos, que se

mantuvo sin demasiadas modificaciones, pero en cambio mejoraron los detalles de

diseño y construcción apareciendo los sistemas mecánicos de orientación y

regulación.


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Las palas de los molinos anteriores al siglo XVII se construían con un

entramado de varillas a ambos lados de un mástil principal, cubriéndose

posteriormente con una tela. Más tarde el mástil se colocó en el borde de ataque de

la pala, de forma que soportara mejor la entrada de aire. Este sistema era también el

más adecuado para dotar de cierta torsión a la pala a lo largo de la envergadura, con

el fin de mejorar su rendimiento aerodinámico.

Las palas con torsión se desarrollaron en el siglo XVII y la incorporación de los

sistemas de regulación se llevó a cabo en el siglo siguiente.

Los molinos de viento evolucionaron en su desarrollo hasta mediados del siglo

XIX, introduciéndose continuas mejoras tecnológicas a partir de elementos

mecánicos.Las primeras bombas eólicas aparecen hacia 1854, desarrolladas por Daniel

Halladay. Son rotores multipalas acoplados mediante un sistema biela-manivela a

una bomba de pistón.

El pionero olvidado de la turbina eólica fue Charles F. Brush (1849-1929).

Durante el invierno de 1887-88 Brush construyó la que hoy se cree es la primera

turbina eólica de funcionamiento automático para generación de electricidad.

Turbina Eólica de Charles F. Brush

Hacia 1890 se empieza a fabricar, con álabes metálicos, el conocido molino de

bombeo americano, llegando a convertirse en el molino de viento más extendido de

cuantos hayan existido.

Fue en 1892, cuando el profesor Poul La Cour (1846-1908), diseñó el primer

prototipo de aerogenerador eléctrico. Los trabajos de La Cour constituyeron los

primeros pasos en el campo de los aerogeneradores modernos, considerándole elpionero de las modernas turbinas eólicas generadoras de electricidad. Construyó la


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primera turbina eólica generadora de electricidad del mundo en 1891. Poul La Cour

realizó sus experimentos de la aerodinámica de las palas en un túnel de viento

construido por él mismo.

Aerogenerador de La Cour (Dinamarca)

En el siglo XX el hombre comienza a utilizar la energía eólica para producir

electricidad pero en principio sólo para autoabastecimiento de pequeñas

instalaciones.

Los primeros aerogeneradores de corriente alterna surgieron en los años 50 dela mano del ingeniero Johannes Juul, alumno de Poul La Cour, y de la compañía

danesa de turbinas de F.L. Smidth.

Aergenerador bipala F.L. Smidth 1942

Concretamente en 1956 se desarrolló el aerogenerador de Gedser (Dinamarca)

de 200 kW que representa la antesala de los actuales aerogeneradores.


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Aerogenerador de Gedser (1956-57)

Otra máquina eólica de trascendencia fue la construida por el profesor Utrich

Hutter en 1960 con una potencia de 100 kW y un diámetro de 34 m. Estas máquinas

representan los comienzos de diferentes facetas en el desarrollo de la energía

eólica: maquinas con potencias del orden de los megavatios y los diseños

caracterizados por estructuras más livianas que todavía representan el futuro de las

máquinas eólicas.

Después de la primera crisis del petróleo de 1973, y al accidente de la central

nuclear Chernobyl la investigación sobre el campo de la energía eólica se amplió

fuertemente en las 80 y muchos países despertaron su interés en este tipo deenergía. En un principio las compañías de energía dirigieron inmediatamente su

atención a la construcción de grandes aerogeneradores, tomando como punto de

partida el aerogenerador de Gedser. En 1979 construyeron dos aerogeneradores de

630 kW. Estos diseños resultaron extremadamente caros y, en consecuencia, el alto

precio de la energía devino un argumento clave en contra de la energía eólica.

Durante este periodo la mayor implantación de sistemas eólicos se produjo en

EEUU. Miles de máquinas fueron instaladas en el programa eólico de California aprincipios de los 80.

Parque eólico de Palm Springs USA


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La Micon de 55 kW (máquina eólica de origen danés) es un ejemplo de tales

máquinas, instalada en un enorme parque eólico de más de 1.000 máquinas en

Palm Springs (California).

En la década de los noventa se toma conciencia de la necesidad de modificar

el modelo energético basado en los combustibles fósiles y la energía nuclear, por los

problemas que estos causan al medio ambiente. Además gracias a un desarrollo

tecnológico y a un incremento de su competitividad en términos económicos, la

energía eólica ha pasado de ser una utopía marginal a una realidad que se

consolida como alternativa futura y, de momento complementaria, a las fuentes

contaminantes.

Actualmente, las máquinas de 600 y 750 kW continúan siendo el caballo decarga de la industria, aunque el mercado de los megavatios despegó en 1998.

Las máquinas del tamaño de megavatios son ideales para las aplicaciones

marinas, y para las áreas donde escasea el espacio para emplazarlas, pues una

máquina de 1MW explotará mejor los recursos eólicos locales.

Vestas 1,5 MW

En esa década se produjeron grandes mejoras en rendimientos, rentabilidad y

fiabilidad. Hoy en día la tendencia va hasta grandes parques con muchos equipos en

el mar cerca de la costa (offshore parks). Todavía quedan problemas y dificultades


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como el desarrollo de equipos de alta potencia o el impacto ambiental, pero hay un

futuro prometedor en ese campo.

Offshore park (Alemania)

Las estimaciones de los expertos sobre el potencial de la energía eólica

offshore en Europa cubren un rango entre 5% y 30% del consumo total.


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En la siguiente figura se muestra la potencia eólica total instalada en Europa:

Potencia eólica instalada en Europa en 2003

1.3 TIPOLOGÍA DE AEROGENERADORES EÓLICOS

Dos datos de partida son fundamentales cuando tratamos de seleccionar el

aerogenerador idóneo que mejor resuelva el problema que nos planteamos:

• el régimen de vientos disponible, que va fijar cuál es la máquina que

más adecuadamente puede aprovechar las corrientes de viento

incidentes.

• el nivel de necesidades, esto es, la energía que deseamos obtener en

un período de tiempo dado, y que va a determinar el área que debe

barrer el rotor y, en definitiva, el tamaño de la máquina.

Nos centraremos en la primera de estas dos cuestiones, esto es, en los

distintos tipos de rotores eólicos que podemos encontrar. Entre ellos existen

diferencias de rendimiento notables, resultando cada uno más adecuado a un

determinado régimen de vientos.


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- rotores por sustentación. En este grupo, la fuerza motriz utilizada

tiene la dirección perpendicular del viento.

En la siguiente figura:

Descomposición de la fuerza sobre la pala

se representan las fuerzas de resistencia y sustentación. Corresponde a

un perfil aerodinámico inmerso en una corriente, que al perturbar el flujo

crea un gradiente de presiones entre ambas caras, de las que resulta

una fuerza resultante (F). Las proyecciones a que da lugar son las

fuerzas de resistencia (paralela al viento) y de sustentación(perpendicular al mismo).

Las ventajas de las máquinas que se mueven por fuerza de

sustentación son varias:

• Mayor coeficiente de potencia.

• Mayores velocidades de giro, con lo que los requerimiento sobre la

caja de transmisión, serán menores.

• Menor empuje sobre la máquina, con lo que las cargas y losefectos de estela son menores.

Dentro de las aeroturbinas de eje vertical, se pueden destacar los

siguientes diseños:

- Máquina de rotor tipo Savonious, cuya sección recta tiene forma

de S y en la que la acción fundamental del viento sobre ella tiene el

carácter de resistencia. Esta máquina tiene un rendimiento bajo,

por lo que únicamente es idónea, por su simplicidad, para

potencias muy pequeñas.


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Aerogenerador Darrieus y Savonious, respectivamente

Rotor Savonious

- Máquinas de rotor tipo Darrieus integrada por varias palas cuya

sección recta tiene la forma de un perfil aerodinámico. Las palas

están unidas por sus extremos al eje vertical, estando arqueadas

en una forma similar a la que tomaría una cuerda girando alrededor

del eje.

Las ventajas que presentan los aerogeneradores de eje horizontal

son las siguientes:

• Su rendimiento (coeficiente de potencia) es mayor que el

correspondiente a los de eje vertical.


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• Su velocidad de rotación es más elevada que la de los

aerogeneradores Darrieus, por lo que requieren cajas de engranajes

con menor relación de multiplicación.

• La superficie de la pala es menor que en los modelos de eje vertical

para una misma área barrida.

• Los sistemas de sujeción de los modelos Darrieus impiden elevar la

turbina tanto como en los modelos de eje horizontal. Ello da lugar a

que con una misma área barrida se obtenga menor potencia en los

de tipo Darrieus, por aprovecharse menos el aumento de la

velocidad del viento con la altura.

Como contrapartida, los aerogeneradores Darrieus tienen las

siguientes ventajas:

• Su simetría vertical hace innecesario el uso de un sistema de

orientación, como ocurre con las máquinas de eje horizontal para

alinear el eje de la turbina con la dirección del viento.

• La mayoría de los componentes que requieren mantenimiento están

localizados a nivel del suelo.

• No requieren mecanismo de cambio de paso en aplicaciones a

velocidad constante.

La comparación entre los aerogeneradores de eje horizontal y los de tipo

Darrieus, en cuanto al número de prototipos desarrollados y a potencia unitaria de

estos prototipos, es claramente favorable a los de eje horizontal.

Existen otros dispositivos, más o menos ingeniosos utilizando el efecto venturi,

el calentamiento solar, la vorticidad inducida o una pared deflectora. Aunque todosellos son de mucha menor aplicación.

A continuación se muestra un esquema general de los distintos tipos de

aerogeneradores que se pueden encontrar:


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Clasificación de las máquinas eólicas

En la siguiente figura se muestran los rendimientos aerodinámicos de los

distintos tipos de máquinas eólicas referidos anteriormente. Dichos valores están

representados en función de la velocidad específica λ0 definida como λ0 = Ω R/V,siendo Ω la velocidad de giro, R el radio de la pala y V la velocidad del viento

incidente sobre el rotor.

Rendimientos aerodinámicos


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1.4 UTILIZACIÓN DEL VIENTO COMO FUENTE DE ENERGÍA

Todas las fuentes de energías renovables (excepto la maremotriz y la

geotérmica), e incluso la energía de los combustibles fósiles, provienen, en último

término, del sol. La Tierra recibe del Sol 1,74x1017W y alrededor de un 1 a un 2 por

ciento de la energía proveniente del Sol es convertida en energía eólica.

El fenómeno conocido como viento está constituido por las corrientes de aire

generadas a consecuencia del desigual calentamiento de la superficie de la tierra. La

no uniformidad del flujo de radiación solar incidente hace que unas zonas se

calienten más que otras, provocando movimientos convectivos de la masa

atmosférica. El aire caliente asciende, arrastrando aire más frío proveniente de una

región vecina. Al subir se enfría, por lo que aumenta su densidad, descendiendo

para volver a repetir el ciclo.

A altitudes de hasta 100 metros sobre la superficie terrestre, los vientos están

muy influenciados por las características de dicha superficie. El viento es frenado por

la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos. Tratándose de energía

eólica interesará conocer estos vientos de superficie y cómo calcular la energía

aprovechable del viento. Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos

dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden

influir en las direcciones de viento más comunes.

Movimiento convectivo en la atmósfera

Los vientos locales siempre se superponen en los sistemas eólicos a gran

escala, esto es, la dirección del viento es influenciada por la suma de los efectos


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global y local. Cuando los vientos a gran escala son suaves, los vientos locales

pueden dominar los regímenes de viento.

Los principales efectos locales son descritos a continuación:

• Brisas marinas

Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar por

efecto del sol. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel

del suelo que atrae el aire frío del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. A

menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando las temperaturas del

suelo y del mar se igualan. Durante la noche los vientos soplan en sentido

contrario. Normalmente durante la noche la brisa terrestre tiene velocidades

inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es

más pequeña. El conocido monzón del sureste asiático es en realidad un forma

a gran escala de la brisa marina y la brisa terrestre, variando su dirección

según la estación, debido a que la tierra se calienta o enfría más rápidamente

que el mar.

• Vientos de montaña

Las regiones montañosas muestran modelos de clima muy interesantes.Un ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al sur (o

en las que dan al norte en el hemisferio sur). Cuando las laderas y el aire

próximo a ellas están calientes la densidad del aire disminuye, y el aire

asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la ladera. Durante la noche la

dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un viento que fluye ladera

abajo. Si el fondo del valle está inclinado, el aire puede ascender y descender

por el valle. Este efecto es conocido como viento de cañón. Los vientos quesoplan en las laderas a sotavento pueden ser bastante potentes.


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Vientos de montaña

• Variaciones diurnas (noche y día) del viento

En la mayoría de las localizaciones del planeta el viento sopla más fuerte

durante el día que durante la noche. Prueba de ello es la siguiente gráfica:

Gráfica v(m/s)-T(horas)

que muestra como varía la velocidad del viento en una localidad del

Mediterráneo en un día típico del mes de agosto. Esta variación se debe

sobretodo a que las diferencias de temperatura, por ejemplo entre la superficie

del mar y la superficie terrestre, son mayores durante el día que durante la

noche. El viento presenta también más turbulencias y tiende a cambiar de

dirección más rápidamente durante el día que durante la noche. Desde el punto

de vista de los propietarios de aerogeneradores, el hecho de que la mayor

parte de la energía eólica se produzca durante el día es una ventaja, ya que el

consumo de energía entonces es mayor que durante la noche. Muchas

compañías eléctricas pagan más por la electricidad producida durante las horas


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en las que hay picos de carga (cuando hay una falta de capacidad generadora

barata).

• Efecto túnel

Si tomamos un camino entre dos edificios altos o en un paso estrecho

entre montañas observaremos que el aire al pasar a su través se comprime en

la parte de los edificios o de la montaña que está expuesta al viento, y su

velocidad crece considerablemente entre los obstáculos del viento. Esto es lo

que se conoce como efecto túnel.

Efecto túnel

Para obtener un buen efecto túnel, debe estar suavemente enclavado en

el paisaje. En el caso de que las colinas sean muy accidentadas, puede haber

muchas turbulencias en esa área, que pueden causar roturas y desgastes

innecesarios en el aerogenerador.

• Efecto de la colina

Una forma corriente de emplazar aerogeneradores es situándolos en

colinas o estribaciones dominando el paisaje circundante. En particular,siempre supone una ventaja tener una vista lo más amplia posible en la

dirección del viento dominante en el área. En las colinas, siempre se aprecian

velocidades de viento superiores a las de las áreas circundantes. Tal y como se

puede observar en la siguiente figura:


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Efecto colina

el viento empieza a inclinarse algún tiempo antes de alcanzar la colina.

También se aprecia que el viento se hace muy irregular una vez pasa a través

del rotor del aerogenerador. Al igual que ocurría anteriormente, si la colina es

escarpada o tiene una superficie accidentada, puede haber una cantidad de

turbulencias significativa, que puede anular la ventaja que supone tener unas

velocidades de viento mayores.

De este modo, el viento, al considerarlo como recurso energético y desde el

punto de vista de su disponibilidad como suministro, tiene sus características

específicas:

• es una fuente con sustanciales variaciones temporales, a pequeña y

gran escala de tiempo, y espaciales, tanto en superficie como en altura,sin olvidar una componente aleatoria que afecta en gran parte a su

variación total.

• al mismo tiempo hay que considerar que la energía disponible a partir

del viento depende de la velocidad del mismo al cubo, como se explicará

más adelante, por lo que pequeñas variaciones en este parámetro

afectarán en gran medida al resultado final de energía obtenida.

1.5 ENERGÍA APROVECHABLE DEL VIENTO

A continuación se van a introducir dos conceptos fundamentales que han de

ser tenidos en cuenta en todo el desarrollo posterior:

• el coeficiente de potencia: da una idea de la potencia que realmente

estamos obteniendo a través del sistema eólico.


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• la fórmula de Betz: muestra la máxima potencia extraíble de una vena

fluida.

1.5.1 COEFICIENTE DE POTENCIALa potencia que posee el viento incidente sin perturbar y de velocidad V1 viene

dada por la expresión:

Sin embargo, un aerogenerador no es nunca capaz de llegar a capturar el

100% de esta potencia que posee tal viento incidente, de tal manera que la potencia

capturada por el rotor de la máquina es significativamente menor.

El coeficiente de potencia de un aerogenerador es el rendimiento con el cual

funciona el mismo, y expresa qué cantidad de la potencia total que posee el viento

incidente es realmente capturada por el rotor de dicho aerogenerador. Se define

como:

donde P es la potencia realmente capturada por el rotor. Este coeficiente esadimensional.

Por otra parte, hay que hacer notar que el coeficiente de potencia con que

funciona un aerogenerador en general no es constante, pues varía en función de las

condiciones de funcionamiento de la máquina, en concreto del parámetro

denominado λ que es la relación entre las velocidades del extremo de la pala o

velocidad de arrastre (Ω.r) y la velocidad del viento V. La relación se muestra en la

siguiente gráfica:


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Movimiento de un fluido a través de un conducto

1.5.2 TEORÍA DE BETZ

El primero en estudiar los motores eólicos fue Betz, quien por una serie de

razonamientos determinó la máxima potencia extraíble de una vena fluida. El

teorema de Betz tiene para las máquinas eólicas la misma importancia que el deCarnot para las máquinas térmicas. Los supuestos, ideales, en que se basa la

fórmula de Betz son:

• Las palas trabajan sin fricción alguna.

• Las líneas de corriente que definen el volumen de control, separan

perfectamente el flujo de aire perturbado del no perturbado.

• La presión estática en puntos suficientemente alejados del rotor

secciones S1 y S2) coincide con la presión estática de la corrientelibre no perturbada.

• La fuerza desarrollada por unidad de área a lo largo del rotor es

constante.

• El rotor no induce rotación alguna en la estela de salida.

• El fluido es ideal e incompresible.

En virtud del principio de conservación de la energía, si el aerogenerador

extrae una cierta cantidad de energía de la vena, ésta debe perder la mismacantidad de energía cinética. Por tanto, la velocidad V2 debe ser inferior a V1 .

Bajo estas hipótesis Betz dedujo que el máximo valor de potencia susceptible

de ser extraído de la vena fluida es:

expresión que se conoce como fórmula de Betz y que proporciona la máxima

potencia que podemos extraer de una corriente de aire. La relación


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representa el coeficiente de potencia máximo (límite de Betz) y nos servirá para

caracterizar el rendimiento de un rotor eólico.

Por lo tanto, la ley de Betz dice que puede convertirse menos de 16/27 (≅ el 59

%) de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador.

1.6 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ENERGÍA OBTENIDA POR EL

AEROGENERADOR

Los tres factores que influyen en la energía mecánica recuperada por el rotor

son:

1.6.1 DENSIDAD DEL AIRE

La energía cinética contenida en un objeto en desplazamiento es proporcional

a su peso, y por tanto, a su densidad. En las máquinas eólicas, lo que nos interesa

es la energía del viento, y la densidad del aire. Cuanto mas denso es el aire, mayor

es la energía recuperada por el rotor.

A una presión atmosférica normal, y a una temperatura de 15 °C, el aire pesa

1.225 kg/m3. Sin embargo, la densidad disminuye un poco cuando la humedad del

aire aumenta. Así mismo, el aire frío es mas denso que el aire caliente, y también, la

densidad del aire en las montañas es menor que en llano.

1.6.2 ÁREA BARRIDA POR LOS ÁLABES DEL ROTOR

El área del rotor determina cuanta energía del viento es capaz de capturar una

turbina eólica. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del

rotor, una turbina que sea dos veces más grande recibirá cuatro veces más energía.

Eso justifica el hecho de utilizar grandes aeroturbinas.


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El área cubierta por el rotor y, por supuesto, las velocidades del viento,

determina cuánta energía podemos obtener en un año.

El siguiente gráfico:

proporciona una idea de los tamaños de rotor normales en aerogeneradores.

Los diámetros de rotor pueden variar algo respecto a las cifras dadas arriba, ya

que muchos de los fabricantes optimizan sus máquinas ajustándolas a las

condiciones de viento locales.

1.6.3 VELOCIDAD DEL VIENTOLa velocidad del viento es muy importante para la cantidad de energía que un

aerogenerador puede transformar en electricidad: la cantidad de energía que posee

el viento varía con el cubo de la velocidad media del viento, es decir, si la velocidad

del viento se duplica la cantidad de energía que contenga será ocho veces mayor.

La potencia del viento que pasa perpendicularmente a través de un área

circular es:

P = 1/2 ρv

3

πr

2

Siendo:

P = potencia del viento (W).

ρ= densidad del aire seco = 1.225 medida en kg/m3 (a la presión atmosférica

promedio a nivel del mar y a 15° C).

v = velocidad del viento (m/s).

r = radio del rotor (m).

Todos esos criterios juegan un papel en la energía recuperada por el rotor de la

máquina eólica.


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1.7 NOCIONES SOBRE LA AERODINÁMICA DE LAS PALAS

A continuación se van a exponer las características más importantes de los

perfiles sustentadores, en los que se fundamenta el funcionamiento de la mayor

parte de las aeroturbinas.

La fuerza sobre una pala de la aeroturbina resulta de acción de la velocidad

relativa del aire sobre la misma. Dicha velocidad relativa es la composición de la

velocidad del viento y de la velocidad de giro de la propia pala.

Cuando un cuerpo esta sujeto a la acción de un flujo de fluido, se produce una

fuerza que es altamente dependiente de la forma del cuerpo. La dirección de la

fuerza resultante de interacción entre el fluido y el cuerpo está dentro de la regióncomprendida entre las líneas que forman ±90º con la dirección del flujo.

Si la forma del cuerpo es irregular, la fuerza resultante tiende a ser paralela a la

dirección del flujo. Por contra, si el cuerpo tiene una forma aerodinámica, la fuerza

tiende a ser perpendicular a la dirección del flujo.

De este hecho, y puesto que un perfil está a caballo entre estos dos

comportamientos extremos, la fuerza aerodinámica puede ser expresada por dos

componentes:• una componente totalmente perpendicular al flujo, conocida como fuerza

aerodinámica de sustentación

• otra componente que es paralela al flujo, conocida como la fuerza

aerodinámica de arrastre.

En principio puede haber turbinas que funcionen basándose en cualquiera de

estos dos tipos de fuerzas, esto es: que su diseño intente aprovechar

preferentemente una de ellas. De esto ya hemos hablado en apartados precedentesasí que en éste nos ceñiremos al caso de las máquinas que funcionan con perfil

sustentador.

Antes de eso exponemos en la siguiente tabla ejemplos de aplicaciones

diferentes en las que también se aprovechan estos dos tipos de fuerza:


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En términos físicos, la fuerza sobre un cuerpo causada por su interacción con

un fluido se produce por cambios en la velocidad y dirección del flujo alrededor del

contorno del mismo. Estos cambios en velocidad se ven representados en cambios

de presión alrededor de cuerpo y estas diferencias de presión es lo que producen la

fuerza aerodinámica. La Figura siguiente ilustra las fuerzas aerodinámicas sobre unperfil aerodinámico.

Fig. Fuerzas aerodinámicas sobre perfil

La fuerza aerodinámica total es, entonces, la suma vectorial de la fuerza de

sustentación (L en el dibujo ya que en inglés sustentación es lift) y la de arrastre (Ddel inglés drag), se entiende que diferentes formas aerodinámicas tendrán diferentes

relaciones entre estas fuerzas.

Es práctica común describir las propiedades aerodinámicas de perfiles en

términos de coeficientes adimensionales, lo cual facilita el análisis y la comparación

entre perfiles aerodinámicos. Los coeficientes adimensionales son:

• Coeficiente de Sustentación: que es la relación entre la fuerza de

sustentación L y la fuerza (vectorial) que ejerce el fluido, y que podemos

Aeroturbina tipo SavoniusFuerzas de Arrastre Turbina hidráulica tipo Pelton

Anemómetro de cazoletas

Mayoría de las aeroturbinas modernasFuerzas de Sustentación Alas de avión y palas de la hélice

Navegación a vela


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negativos. En la actualidad, se utiliza la condición de pérdida para realizar control

aerodinámico en la operación de equipos con el fin de mantener velocidad de

rotación constante en los rotores.

Otro aspecto que influye en el comportamiento aerodinámico de los perfiles

aerodinámicos es el efecto de la rugosidad de la superficie del perfil y los efectos de

fricción entre el fluido y el perfil. Además los coeficientes son afectados por efectos

de la viscosidad del fluido, función ésta del Número de Reynolds.

1.8 PARTES DE UN AEROGENERADOR

Un sistema de generación eólica está formado por otros subsistemas menores

que realizan una determinada función. En concreto, para las máquinas de gran

potencia, los principales subsistemas que podemos encontrar se presentan de

manera descriptiva en la siguiente figura:


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• Cubo o buje

El cubo del rotor es el elemento donde se unen las palas y mediante el cual la

potencia captada por el rotor se transmite al eje principal. En función de si el rotor

está formado por dos o tres palas pueden presentarse dos tipos de buje:

• Rígido, para aerogeneradores de tres palas, que consiste en una estructura

metálica hueca que típicamente se construye con base en una fundición de

acero nodular.

• Basculante, para aerogeneradores de dos palas, el cual permite que las palas

se puedan mover, ligeramente, en una dirección perpendicular al plano del

rotor.

• Nariz

La nariz del rotor es una cubierta frontal en forma de cono que sirve para

desviar el viento hacia el tren motor y mejorar la ventilación en el interior, eliminar

turbulencia indeseable en el centro frontal del rotor y mejorar el aspecto estético.

1.8.2 CAJA DE ENGRANAJES

En la selección o diseño de una caja de engranes para aerogeneradores se

busca que tenga una relación óptima entre su capacidad de carga, su tamaño y supeso. Asimismo, deben operar con eficiencia alta y emitir poco ruido.

Durante mucho tiempo se utilizaron cajas de engranes del tipo ejes paralelos.

Ahora hay una tendencia a utilizar cajas del tipo planetario porque son más

compactas, pesan menos, emiten menos ruido y en condiciones de carga parcial

tienen una eficiencia mayor.

Ante la construcción de generadores eléctricos de velocidad nominal baja, ha

surgido un nuevo diseño constructivo en el que ya no es necesaria la caja

multiplicadora. En este caso, el rotor se acopla directamente al generador eléctrico.

Sin embargo, estos últimos son de fabricación especializada y sus dimensiones son

relativamente grandes. La foto siguiente muestra una caja de engranajes y el

generador:


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Actualmente, el 90 % de los aerogeneradores comerciales, en el rango de 200

a 3.000 kW, utilizan una caja de engranes en el tren motor y solamente el 10 %

tienen un acoplamiento directo.

1.8.3 GENERADORES ELÉCTRICOS

Los generadores eléctricos más utilizados para la configuración de sistemas

eólicos han sido los generadores asíncronos, aunque con la reducción de costes en

los sistemas eléctricos que separan la producción de energía de la eólica con la

propia red eléctrica están empezando a colocarse en mayor número los síncronos,

siendo éstos últimos los instalados en las máquinas sin multiplicador.

1.8.4 SISTEMAS DE REGULACIÓN DE POTENCIA Y VELOCIDAD

La regulación de potencia y velocidad en aerogeneradores es relativamente

compleja, y ha sido uno de los retos principales en el desarrollo de su tecnología.

Actualmente, se utilizan los métodos que se describen a continuación:

• Variación del ángulo de paso (o calado) de las palas:


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El primer método para el control de la potencia, una vez alcanzado el

valor nominal, es el control del ángulo de paso de la pala (definido éste como el

ángulo que se forma entre la cuerda del perfil aerodinámico en la punta de la

pala y el plano de rotación).

• Control por desprendimiento de flujo:

Este segundo método de control de potencia se aplica en

aerogeneradores de palas donde el ángulo de calado permanece constante.

En este tipo de sistemas al aumentar la velocidad del viento también lo hace

la velocidad relativa produciéndose al mismo tiempo una variación en el

ángulo de ataque.

1.8.5 SISTEMAS DE ORIENTACIÓN

El objeto fundamental del sistema de orientación es mantener el rotor en unplano perpendicular a la dirección del viento, con el fin de extraer de él la máxima

energía.

La mayoría de los aerogeneradores en el mercado actual son del tipo a

barlovento y utilizan servomecanismos para mantener el plano del rotor en posición

perpendicular a la dirección del viento. Estos dispositivos constituyen el elemento

unión entre la torre y la góndola del aerogenerador. Básicamente se construyen a

partir de un cojinete y una corona dentada. La corona está acoplada a piñonesmontados sobre dos o más servomotores (eléctricos o hidráulicos). Normalmente el

subsistema se encuentra habilitado, además, con un freno mecánico.

1.8.6 CONEXIONES A RED

Este es uno de los campos donde más se está avanzando con el fin de

aumentar la eficiencia en la conversión de energía en este tipo de sistemas.


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1.8.7 DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD

El objeto fundamental de este tipo de sistemas es el de proteger la integridad

física de los humanos, así como la del equipo en su conjunto. Por ello, estos

sistemas se ponen en funcionamiento generalmente en situaciones como:

• Presencia de vientos mayores que la velocidad de salida.

• Velocidad de rotación por arriba del máximo aceptable.

• Pérdida de carga (desconexión o fallo de la línea de interconexión).

• Exceso de vibraciones.

• Temperaturas por arriba de las máximas aceptables (en generadores,

cajas de transmisión, controladores electrónicos, etc.).

• Pérdida de presión en controladores hidráulicos.

Los medios que se utilizan para efectuar el paro forzado son:

• Freno de disco.

• Control del ángulo de paso de las palas.

• Dispositivos de punta de pala (frenos aerodinámicos).

• Control de orientación al viento.

La mayoría de los aerogeneradores cuenta con dos (o más) de estos medios,

los cuales pueden operar de manera independiente o coordinada. Dependiendo delmodelo específico del aerogenerador se asigna uno de ellos como el medio principal

de frenado.

En aerogeneradores que tienen sistemas de regulación de velocidad por

control del ángulo de paso de las palas, usualmente se asigna este medio como el

de frenado principal. En este caso, se amplía su rango de operación para que sea

posible colocar la cuerda del elemento de punta de pala en una posición casi

paralela con la dirección del viento (posición de bandera).En la siguiente figura se ilustran los llamados ”dispositivos de punta de pala”

que se utilizan en algunos aerogeneradores para reducir aerodinámicamente la

velocidad del rotor antes de aplicar el freno de disco. Este dispositivo es una sección

en la punta de la pala que se puede girar hasta 90º, con objeto de que su superficie

se oponga aerodinámicamente al giro del rotor.


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1.8.8 ELECTRÓNICA DE CONTROL

Todos los aerogeneradores para centrales eoloeléctricas cuentan con un

sistema electrónico dedicado al control y a la adquisición de datos (SCADA). Cadaaerogenerador cuenta con un SCADA propio, independientemente de que éste

forme parte de una central integrada por varias turbinas. Sus funciones principales

son:

• Controlar los procesos de inicio de operación y de conexión a la línea

eléctrica.

• Controlar la regulación de velocidad y potencia de salida.

• Controlar la orientación del rotor con respecto a la dirección del viento.

• Controlar los procesos de paro forzado.

• Controlar los elementos auxiliares dedicados a mantener las mejores

condiciones de operación normal.

• Ser la interfaz local entre el operador y la máquina.

• Adquirir y procesar los datos del comportamiento operacional de cada

aerogenerador.

• Mantener la comunicación con los centros de supervisión en centrales

eoloeléctricas (transmisión de datos).

Para tales fines, los SCADA miden y procesan las variables de control, entre

las que se encuentran:

• Velocidad y dirección del viento.

• Velocidades angulares.

• Temperaturas.

• Presión.

• Ángulo de orientación.


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• Vibraciones.

• Estados operativos.

• Parámetros eléctricos.

• Eventos.

En la siguiente figura se muestra un sistema de control:

1.8.9 ACOPLAMIENTOS MECÁNICOS

Durante el funcionamiento de un aerogenerador los componentes del sistema

de transmisión están sujetos a fluctuaciones torsionales, desplazamientos axiales y

desalineación entre los ejes. Estos efectos adversos deben ser minimizados parareducir esfuerzos y prolongar la vida útil de los componentes. Por ejemplo, en

aerogeneradores que cuentan con una caja de engranes en el tren de potencia, la

conexión mecánica al generador eléctrico se realiza mediante una barra de torsión

provista de juntas homocinéticas en ambos extremos.

1.8.10 ESTRUCTURA SOPORTE, CHASIS O GÓNDOLA

El chasis principal es una estructura metálica donde se monta el tren de

potencia, el generador eléctrico, las mordazas del freno y, en su caso, las unidades

hidráulicas. Este componente recibe las cargas del rotor a través del tren de

potencia y las transmite a la torre vía el subsistema de orientación.

Usualmente, el chasis principal está construido a partir de perfiles estructurales

de acero soldados y placas de fibra de vidrio.


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1.8.11 TORRES

Las torres constituyen el elemento de apoyo del resto de subsistemas de la

aeroturbina. Por tal motivo, su principal función es estructural. Para instalar

aerogeneradores de eje horizontal se pueden utilizar torres tubulares o torres de

celosía.

En la siguiente fotografía el interior de una torre tubular, sobre las que están

montadas las máquinas de potencias a partir de 1000kW.

1.9 ESTADO DE LA TECNOLOGÍA “SIN MULTIPLICADOR”

Un aerogenerador conectado a la red eléctrica a través de un convertidor de

frecuencia y diseñado para operar con velocidades de rotación variables, es uno de

los más prometedores conceptos para el futuro desarrollo en el campo de la energía

eólica. Esto permite obtener máxima eficiencia del rotor para una velocidad de viento

dada.

El uso de generadores eléctricos multipolos de baja velocidad elimina un caro y

vulnerable elemento de la transmisión de los aerogeneradores tradicionales, el

multiplicador. Esto permite reducir el peso, las dimensiones y el ruido mecánico en

los aerogeneradores. Al mismo tiempo, una de las principales ventajas es una

mejora de los parámetros técnicos y económicos de los equipos eléctricos, los

cuales mejoran la eficiencia total del aerogenerador.


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Para la mejora de esta tecnología se necesita:

• Desarrollo de nuevos tipos de generadores multipolos con mejores

características.

• Desarrollo y optimización de convertidores de frecuencia y métodos

para su control.

La primera implantación a gran escala de generadores multipolos de baja

velocidad para aerogeneradores fue hecha por ENERCON (modelo E-40). El

generador disponía de 84 polos, 6 fases y una conexión a red a través de un

convertidor de potencia.

Otra solución técnica es el uso de generadores multipolo con imanes

permanentes (PMG). Este tipo de generadores alcanzan la más alta eficiencia ya

que la ausencia de bobina excitadora en el rotor reduce las pérdidas.

1.9.1 COMPARACIÓN MERCADO MÁQUINAS CON/SIN MULTIPLICADOR

Sólo unos pocos fabricantes de aerogeneradores ofrecen aerogeneradoressin multiplicador.

En la siguiente figura, se ve claramente que el mercado de aerogeneradores

está dominado por tecnología basada en el uso de multiplicadores.


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En la siguiente tabla se muestran las diferentes tecnologías usadas por los

mayores fabricantes de aerogeneradores:

A continuación se muestra una gráfica en el que se puede apreciar el tipo de

tecnología instalada durante el año 1997:

Debemos distinguir entre los aerogeneradores de velocidad constante de los

de velocidad variable. Los aerogeneradores usan el concepto de velocidad variable

si el rotor puede girar proporcionalmente a la velocidad del viento. El concepto de

velocidad constante asume que la velocidad de rotación del rotor es constante para

cualquier velocidad del viento.


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El uso de convertidores electromecánicos de velocidad variable, en

contraposición con la velocidad constante, tiene varias ventajas:

• Capacidad para extraer más energía del viento (por encima del 6%,dependiendo de la localización del aerogenerador y las palas)

• Reducidas fluctuaciones en la red.

• Bajas emisiones de ruidos a bajas velocidades.

• Bajas cargas mecánicas en los componentes del aerogenerador

durante la transmisión del par.

La siguiente tabla, muestra las características de varias tecnologías usadas

en los aerogeneradores actuales:

Se puede observar que las principales ventajas de la tecnología sin

multiplicador disponible actualmente comparada con la tecnología tradicional son:

• Menores requerimientos de mantenimiento.

• Menor ruido debido a la velocidad variable y también debido a la

ausencia de multiplicador.

• Alta eficiencia a bajas velocidades del viento.


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Por el contrario, las principales desventajas son:

• Mayor coste.

• Menor facilidad de transporte e instalación debido al mayor diámetro de

la máquina.

• Menor eficiencia a altas velocidades del viento.

Son las dos primeras desventajas las que principalmente impiden la inmediata

sustitución de la tecnología con multiplicador.

1.9.2 ANÁLISIS DE COSTES DE LAS TECNOLOGÍAS CON/SIN MULTIPLICADOR

Se va a intentar realizar una comparación entre los costes de las dos

tecnologías expuestas hasta ahora. Se debe resaltar, que es muy difícil poder

traducir en costes factores como el mantenimiento y emisión de sonidos. En este

apartado nos limitaremos a comparar el precio de los equipos.

Los datos que se van a proporcionar han sido obtenidos de diversos

suministradores. Se ha obtenido el coste de una caja multiplicadora, un generador

inductivo, un generador síncrono y convertidores electrónicos de diferentes

suministradores. Para un aerogenerador de 750kW se obtuvieron los datos

expuestos en el siguiente gráfico:


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Los resultados obtenidos nos muestran como los aerogeneradores sin

multiplicador tienen en general un precio más elevado, que en este caso concreto

era del orden de un 30% más.

1.9.3 DISCUSIÓN

Enercon lanzó la tecnología de los aerogeneradores sin multiplicador hace

unos años. Hoy en día compañías como Lagerwey, IGBT, Jeumont, GeneSys... han

desarrollado sistemas similares.

Este tipo de tecnología ofrece una alternativa competitiva a los

aerogeneradores convencionales. Como hemos visto, tienen unas ventajas muyimportantes. Sin embargo se deben hacer esfuerzos para:

• Reducir el coste del generador.

• Desarrollar nuevos diseños de generador con menor diámetro.

• Investigar en el campo de los convertidores, para mejorar el coste

eficiencia.

1.10 IMPACTO AMBIENTAL

1.10.1 INTRODUCCIÓN

El potencial de mitigación de emisiones que ofrece la generación eoloeléctrica

representa una ventaja sobre las tecnologías de generación convencionales que

queman carbón y combustibles derivados del petróleo. El valor efectivo de este

ahorro de combustibles y de mitigación de emisiones a la atmósfera depende de lamezcla de tecnologías de generación en el sistema eléctrico que se trate.

La Comisión Europea estima que la operación de 10.000 MW eoloeléctricos en

la Unión Europea evitaría la emisión de 20 millones de toneladas de CO2 por año, lo

que representaría un ahorro total de 3.500 millones de euros por el concepto de

combustibles fósiles no quemados.

Se ha comprobado que los efectos negativos sobre el medio ambiente que

producen la construcción y funcionamiento de un parque eólico son en general

escasos, como veremos a continuación.


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1.10.2 IMPACTO SOBRE LA VEGETACIÓN

Consideraremos como impacto sobre la vegetación el impacto por erosión del

suelo, puesto que en la erosión queda implícita la pérdida de la vegetación. La

importancia y significación de la vegetación en la identificación de los impactos

ambientales radica en ser, por lo general, un elemento fundamental en la expresión

de los ecosistemas.

En la estimación de los impactos sobre la vegetación es preciso considerar dos

cuestiones: el valor de la vegetación presente en la zona en la que se va a llevar a

cabo el parque eólico, y la incidencia en ella de las operaciones de construcción y

posterior funcionamiento del parque.

Los impactos sobre la vegetación pueden ser directos (desaparición de la vege-

tación), o indirectos (interrupción de cursos fluviales, utilización de herbicidas,

incendios, pastoreo).

Los primeros tienen lugar preferentemente en el momento de la construcción

del parque, son fáciles de prever:

• Movimientos de tierras en la preparación de los accesos al parque eólico.

• Realización de cimentación.

• Construcción de edificación de la instalación.

Los impactos indirectos suelen producirse durante el funcionamiento del par-

que. Su previsión es a veces difícil. Para minimizar estos riesgos deben realizarse al

menos los estudios siguientes:

• Hidrología y pluviometría.

• Trazado y perfiles transversales del camino.

• Impactos sobre la vaguada y cursos de agua.

1.10.3 RUIDO

La emisión de ruido acústico puede llegar a ser un inconveniente cuando los

aerogeneradores se instalan cerca de lugares habitados.

Para que las centrales eoloeléctricas no ocasionen molestias de ruido a sus

vecinos, algunos países han emitido normas ambientales que limitan su cercanía a

lugares habitados.


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La siguiente figura:

Nivel de sonoro en función de la distancia

muestra un ejemplo de cómo disminuye el ruido que emite un aerogenerador en

función de la distancia a su punto de instalación.

La figura siguiente muestra una comparación con el ruido que se percibe deotras fuentes:

Escala de ruido

1.10.4 IMPACTO VISUAL

El impacto visual depende de la percepción de las personas. Al igual que el

problema de ruido, el impacto visual depende de la cercanía entre las poblaciones y

las centrales eoloeléctricas. Asimismo, adquiere mayor o menor dimensión

dependiendo de varios factores psicológicos y sociales.


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1.10.5 IMPACTO SOBRE LAS AVES

A la par de la experiencia operativa de una gran cantidad de centrales

eoloeléctricas en el mundo, se han emprendido estudios sobre la mortalidad de aves

al chocar contra los rotores y las estructuras de los aerogeneradores. También se ha

estudiado el efecto de los aerogeneradores sobre el hábitat y costumbres de las

aves.

La Asociación Europea de Energía Eólica apunta que la muerte de aves a

causa de los aerogeneradores, a pesar de su tamaño y de sus palas en movimiento,

no presenta un problema especial, de acuerdo a lo encontrado en estudios

realizados en varios países europeos. Las líneas de transmisión de energía

eléctrica presentan una amenaza mucho mayor que los aerogeneradores.

2. TURBINAS EÓLICAS CON GENERADORES DE

CONEXIÓN DIRECTA: POSIBLES TIPOLOGÍAS DE

GENERADOR

A continuación pasamos a realizar un estudio general de los tipos de máquinas

de posible utilización en el campo de los aerogeneradores o turbinas de viento sin

multiplicador de velocidad, también llamados de conexión directa.


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En realidad, la diferencia entre los tipos de máquinas se basa principalmente

en la filosofía del generador, y por tanto nos centraremos en la variedad de estos

últimos a la hora de discutir las diferentes posibilidades de producción de energía

eléctrica.

2.1 INTRODUCCIÓN

La característica de las máquinas de conexión directa es que no poseen un

tren de engranajes que ajuste la velocidad de giro del rodete a la necesaria para la

producción de electricidad a la frecuencia deseada. Por tanto, los generadores que

utilizan deberán tener distintas peculiaridades de los de las turbinas que sí lo

montan.

Veremos que el tipo de generador más usado para máquinas sin multiplicador

es el de polos de magnetización permanente, es decir, imanes permanentes.

Los imanes permanentes permiten deshacerse de las curvas de excitación de

corriente continua, y por tanto, de los anillos de deslizamiento que suponen una

pérdida de potencia por producción de calor debido a la resistencia de contacto que

presentan. Esto nos permite obtener máquinas eléctricas con mayor densidad depotencia. Por otro lado, el creciente desarrollo en el campo del control electrónico

(IGBTs e IGCTs) hace que se puedan adaptar mejor la electricidad producida a las

ondas de corriente y tensión con igual frecuencia que la de la red, siendo posible

que las máquinas trabajen con tensiones de onda cuadradas, en frecuencias

óptimas para su funcionamiento.

Debido a la gran cantidad de aplicaciones, velocidades y pares torsores de

funcionamiento, existe una gran variedad de configuraciones de máquina, y noentraremos al estudio particular de cada una de ellas. Se dedicará mayor extensión

a las máquinas de magnetización permanente por ser más baratas, ligeras y

pequeñas, y por tanto apropiadas para los aerogeneradores de conexión directa.

2.2 GENERADOR DE INDUCCIÓN DIRECTA O ASÍNCRONO

La posibilidad de usar un generador de inducción directa en turbinas de viento

la rechazan muchos autores. A continuación se expone el desarrollo teórico del


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generador y luego veremos las conclusiones que desechan su utilización en

máquinas sin multiplicador.

Las máquinas de inducción requieren una corriente de magnetización paraproducir fuerza electromotriz (fem) en el rotor. La inductancia magnética se define

como:

donde Lm es la inductancia magnética de un fase de la máquina, np es el número de

vueltas por polo y fase, Am es el área del circuito magnético para un polo, p es elnúmero de pares de polos y la g es la anchura del entrehierro. Como regla general,

la g se toma como:

donde dg es el diámetro exterior del entrehierro. La inclinación de los polos τp se

define como:

Se denomina inclinación porque es el ángulo con centro en el centro del rotor

que abarca un polo.

En la expresión de Lm , el área Am debe ser escogida de manera que la

densidad de flujo en los dientes del estator sea menor que la de saturación. Para

simplificar, se utilizará la densidad de flujo del entrehierro, en vez de la de los

dientes. Asumimos que si se toma Bgmax = 0,7 T (máxima densidad de flujo del

entrehierro) se previene la saturación en los dientes del estator.

Según la ley de Faraday, el flujo magnético en la huella de aire se define como:


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donde, E es la amplitud máxima de tensión del estator, ωs es la frecuencia eléctrica

del estator y ϕp es el flujo magnético en el estator en el entrehierro para un polo y

una fase. Los valores se supone que varían senoidalmente. También, se asume que

cada polo tiene un régimen de vueltas np por fase en el stator.

De la ecuación de ϕp , el flujo máximo por el entrehierro es:

pn

E

pn

E

s p s p p

∗∗∗=

∗∗∗∗

=ω ω

ϕ 22

2max

donde E es la tensión del estator. Por definición:

max g m g m p B A B A ∗≤∗=ϕ

Asumiendo que el circuito magnético está optimizado, la ecuación anterior nos

da:

maxmax g m p B A ∗=ϕ

Mediante las dos expresiones anteriores de ϕpmax obtenemos la expresión de

Am:

max2 g s pm

B pn

E A

∗∗∗∗=

ω

La corriente que circula por el estator se define como:

donde A se expresa por unidad de longitud (A/m), I es la intensidad de corriente del

estator, y m el número de fases. Combinando las ecuaciones anteriores obtenemos

la velocidad de giro por polo y fase:

I m p

An p ∗∗

∗Π∗=

250


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Obtenemos también:

max

02500

g s

m

B I m p

A E L

∗∗∗∗

∗∗∗Π∗∗=

ω

µ

La potencia aparente de la máquina se define como:

Las dos expresiones anteriores nos dan otra expresión de Lm:

pS B

A E L

g sm

∗∗∗

∗∗∗Π∗∗=

max

202500

ω

µ

Consideremos ahora dos máquinas inductoras, ambas conectadas

directamente el eje del rotor al generador. La primera de ellas tiene 4 polos (p1=2), y

gira a 1500 rpm (con multiplicador), y la segunda tiene 120 polos (p 2=60) a 50 rpm

(conexión directa). Ambas tienen igual frecuencia eléctrica ωs, tensión en el estator,

E, corriente A, potencia aparente S, y densidad de flujo máxima Bgmax. La relación de

inductancias magnéticas para estas dos máquinas es:

60

2

2

1

1

2 == p

p

L

L

m

m

La máquina 2, con mayor número de polos tendrá menor inductancia

magnética, y requerirá mayores corrientes de magnetización. El mayor numero de

polos necesitará por tanto mayor diámetro de rotor (y en consecuencia mayor

volumen). Esto hace que la máquina tenga bajos factores de potencia y por lo tanto,

bajo rendimiento. Para aumentar la potencia, la densidad de flujo del aire debe

disminuir, aumentando el área de circuito magnético Am (máquinas con baja

densidad de corriente de aire que requieren mayor longitud del rotor).

Además, la máquina de inducción proporciona la excitación al rotor a través del

devanado del estator. Por tanto éste debe conducir la potencia activa y la reactiva

necesaria para la excitación del rotor, lo que hace tener mayores pérdidas en el

cobre, y requiere de hilos de cobre de mayor sección, que exige mayor volumen de

la máquina y de las ranuras en el estator.


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Si se intenta llegar a una solución de compromiso entre altas densidades de

par torsor y altos factores de potencia, obtenemos malos resultados (factor de

potencia de 0.67 y rendimiento del 84%), una densidad de par de un 40% menor que

en el caso de generadores asíncronos de potencia equivalente.

Por otra parte, la potencia máxima de estas máquinas se alcanza para un valor

de deslizamiento alrededor del 1%, que es difícil de controlar en una turbina de

viento sin multiplicador de velocidades porque depende de la velocidad del viento,

por lo que al variar éste baja el rendimiento de la máquina. Se podría controlar el

deslizamiento con un freno mecánico para el rotor (que necesitaría una refrigeración

propia) o electrónicamente con tiristores en el circuito del rotor, que permiten regular

el deslizamiento ente el 1 y el 10%.

Por tanto, se pueden construir máquinas de inducción magnética pero al ser la

velocidad de rotación del rotor mucho menor que la frecuencia de la red y no llevar el

aerogenerador multiplicador de velocidad, se necesita un diseño con gran número

de polos, con lo que se obtiene una inductancia magnética baja, baja densidad de

par, bajo factor de potencia y bajo rendimiento. Por tanto, el uso de generadores de

inducción de conexión directa, no se considera una opción correcta en cuanto aturbinas eólicas.

2.3 GENERADORES TIPO SRM (SWITCHED RELUCTANCE

MACHINE)

Este tipo de máquinas siguen un esquema como el de la figura siguiente. Al

igual que la máquina de inducción tampoco monta la excitación del rotor sobre él,

sino en el devanado del estator, que, según algunos estudios, conlleva una

penalización de la corriente de excitación de entre el 35 y el 60%, haciendo que la

relación voltaje/intensidad sea mayor que en otras máquinas, ente ellas la de

inducción. Es decir para la misma diferencia de potencial, se consigue menos

corriente.


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Otros estudios reflejan que para un mismo rendimiento de máquina, las de tipo

SRM son más compactas y un poco más ligeras que las de inducción. Estas

máquinas SRM tienen una construcción bastante robusta.

También se ha llevado a cabo varios estudios comparando diversos tipos de

máquinas SRM (de flujo radial o de flujo transversal) con máquinas de

magnetización permanente de flujo radial (RFPM), máquinas síncronas, para

aerogeneradores de conexión directa, con el resultado de tener un coste similar

para máquinas de menos de 1 metro de diámetro, y mucho mayor las de SRM para

mayores diámetros.

En conclusión, estas máquinas tienen un coste similar o superior, según el

caso, que las máquinas de flujo radial de magnetización permanente y presentan

una relación voltaje / intensidad mayor que ellas, por lo que no parecen ser una

buena apuesta para las turbinas de viento de conexión directa.


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2.4 GENERADORES SÍNCRONOS CON EXCITACIÓN ELÉCTRICA

La alternativa a los tipos de máquinas vistos anteriormente son las máquinas

síncronas, que son las que en la práctica se utilizan en aerogeneradores deconexión directa.

Este tipo de máquinas montan la fuente excitadora directamente sobre el rotor.

Se pueden distinguir dentro de ellas dos tipos de excitación: excitación por bobinas o

excitación por magnetización permanente.

Las máquinas de motor bobinado tienen una gran ventaja frente a las máquinas

de magnetización permanente, y es que la corriente de excitación es regulable, es

decir, su magnetización es regulable más o menos fácilmente, y por tanto se puede

ajustar la tensión en vacío. Ésta es la razón por la que se utilizan en centrales

hidráulicas de velocidad constante conectadas a la red directamente en lugar de

usar magnetización permanente. Sin embargo, en el caso de la generación eólica,

los generadores síncronos se conectan a la red mediante un convertidor electrónico,

por lo que la regulación de la tensión en vacío de la máquina no es una cuestión tan

crítica.

Las máquinas de magnetización permanente tienen sin embargo otra ventaja

que en el caso de aerogeneradores sin multiplicador se aprovechará mejor, por la

siguiente razón: para una densidad de par dada, un mayor número de polos permite

una disminución de volumen (que se traduce en masa y coste) del núcleo del rotor y

de la parte exterior del estator. Es por tanto una filosofía que interesa en este tipo de

aerogeneradores, pues precisamente una razón de eliminar la caja de velocidades

es reducir el peso en la góndola del aerogenerador.

Así, el diseño se decantará por utilizar un numero elevado de polos, lo que

implica que el paso entre polos será reducido si queremos hacer la máquina lo más

compacta posible. Sin embargo, los rotores excitados eléctricamente no se adaptan

bien estas exigencias de pasos de polo pequeño y reducido diámetro, puesto que

para conseguir la misma excitación, si se reduce el paso del polo, hade aumentarse

la altura del mismo, no consiguiendo por tanto una reducción de volumen. Como se

puede apreciar en la siguiente figura, los rotores de magnetización permanente son


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mucho menos voluminosos para una densidad de flujo equivalente que los de

excitación eléctrica.

Máquina síncrona de excitación eléctrica

Máquina sínccrona de magnetización permanente

Se puede relacionar aproximadamente la relación entre las alturas hCur y hPM

mediante la siguiente expresión:

)·(···

)·(·2

0 g Fesat prfill r

g r Fesat

PM

Cur

B Bk J

B B B

h

h

−

−=

τ µ


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constante en ambos casos siendo usual formas redondeadas para conseguir

mejores formas de onda.

Otra desventaja de la excitación eléctrica son las elevadas pérdidas en el cobrepor efecto Joule. Aunque los imanes permanentes también tienen pérdidas por

corrientes parásitas, éstas son mucho menores que las del cobre, que se verán

incrementadas además si el número de polos crece.

Se han hecho algunos estudios en los que se ha calculado el paso de polo

óptimo para cada tipo de máquina en conexión directa, resultando que para la de

excitación eléctrica se encuentra entre 20 y 45 cm, mientras que para la de

magnetización permanente está entre 6.8 y 10 cm. Sin embargo, en estudioshechos sobre grandes máquinas haciendo cálculos globales que incluyan costes de

componentes de rotor y estator, material activo y también pérdidas eléctricas a largo

plazo, resulta que la máquina de síncrona de magnetización permanente tiene un

coste y volumen (peso) menor que la de excitación eléctrica.

De todo lo expuesto anteriormente se justifica la actual tendencia a usar

generadores de magnetización permanente en lugar de motores bobinados en

aerogeneradores de conexión directa entre el rotor de las palas y el de la máquina

eléctrica.

2.5 GENERADORES SÍNCRONOS DE MAGNETIZACIÓN

PERMANENTE

Hemos visto que las máquinas con imanes permanentes se adaptan mejor a

las características buscadas para turbinas de viento con conexión directa. Además

de lo dicho anteriormente, estas máquinas permiten un gran flexibilidad en cuanto a

la disposición de los imanes y por tanto geometría de la máquina. Por ello existen

múltiples configuraciones, de las que veremos algunas a continuación. En general

podemos clasificarlas según distintos criterios:

• Máquina radial o axial: dependiendo de la dirección del vector normal al

entrehierro de la máquina.


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• Núcleo del estator longitudinal o transversal: según la orientación del

conductor de cobre en el estator.

En las máquinas longitudinales, el espacio para el conductor se reduce si elnúmero de polos crece, cosa que no ocurre en la máquina transversal.

• Imanes en superficie o flujo concentrado: dependiendo de la dirección de la

magnetización respecto a la superficie del entrehierro.

• Estator ranurado o sin ranurar: el estator puede ir dentado y las bobinas de

cobre alrededor de los dientes o no tener dientes y montar las bobinasdirectamente en el entrehierro, lo que conlleva un problema para fijarlas en su


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sitio. En máquinas axiales presentan la ventaja de una fabricación mas

sencilla y barata, además de producir menos pérdidas en el hierro. Esto es

interesante para máquinas de alta frecuencia. Sin embargo estos estatores

sin ranuras presentan mayores pérdidas en el cobre debido a corrientes

parásitas de magnetización.

Analizaremos a continuación algunas configuraciones de máquina.

2.5.1 MÁQUINAS DE FLUJO RADIAL

Las máquinas de flujo radial se pueden diseñar con flujo en el conductor de

cobre longitudinal o transversal. El flujo radial-longitudinal en el conductor tiene unadirección paralela al eje del rotor (es el caso de la máquina radial tradicional). El flujo

radial-transversal es normal al eje del rotor.

Todas las máquinas de flujo radial se pueden expresar mediante la siguiente

fórmula:

donde Vg es el volumen del entrehierro, Tem es el par electromagnético de la

máquina, Fem es la fuerza electromagnética del entrehierro, y Ag es su área. El par

producido en aerogeneradores es, por lo general, elevado. La Fem/Ag es la densidad

de fuerza y controla la densidad de potencia en las máquinas de flujo radial.

2.5.1.1 Máquinas de flujo radial-longitudinal

Son las máquinas de magnetización permanente de flujo radial (RFPM)

denominadas convencionales por ser las más comunes de este tipo en la industria

general. Como se puede ver en la siguiente figura,

( ) g emem

g A F

T V

/2∗=


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este tipo de máquinas (RFPM) tiene los dientes del estator tradicionales. El estator

está construido mediante perforaciones y láminas de acero. Los dientes formados en

estas láminas de acero se rellenan de con el conductor, generalmente cobre. El

acero conduce el flujo magnético, y el conductor transmite la corriente. En la figura

podemos ver una máquina trifásica con dos conductores por ranura.La cantidad de material ferromagnético y material conductor se pone

guardando un compromiso entre el flujo y la corriente que circula, deforma que se

aproveche lo mejor posible la corriente en la máquina y su fuerza electromotriz.

La corriente de flujo en una RFPM convencional circula en la dirección que se

muestra en la siguiente figura. En ella se muestra un polo de la máquina RFPM.

Para su explicación se desarrollan el estator y el rotor de una máquina lineal.


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Detalle de un polo de RFPM

Las ranuras y dientes tienen una altura de hs, una inclinación o paso de τ, y un

ancho de diente de bδ. Para un ancho de diente mínimo y una altura de ranura

máxima, obtenemos el óptimo de la máquina.

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