1.4 Justificación e importancia del Estudio

a) Justificación práctica

El estudio los aerogeneradores de electricidad permite la verificación de los conceptos aprendidos en la generación de electricidad. Este estudio sirve para comprender el funcionamiento y los factores importantes en la implementación de aerogeneradores.

Es importante porque los aerogeneradores son un tipo de tecnología muy usada internacionalmente así como a nivel nacional y el estudio permitirá analizar el uso de esta tecnología en el país contrastando la realidad nacional con la internacional para que, a base de teoría, se puedan identificar y solucionar problemas en el uso de aerogeneradores.

Como resultado del estudio se podrán implementar este tipo de tecnologías que no tiene mucho grado de contaminación ambiental y aprovecha el recurso del viento. El funcionamiento de los aerogeneradores puede ser la base para otras funciones.

b) Justificación teórica

El estudio demostrará la aplicación de la física, el funcionamiento de un aerogenerador se puede generalizar con las distintas formas de obtención de energía pues todas se basan en la física. A partir de una investigación profunda del tema podrán desarrollarse tesis e hipótesis sobre el funcionamiento, la implementación, la ubicación, etc. Servirá para analizar las variables de estudio y modificar alguna con el fin de mejorar la tecnología.

CAPÍTULO III (Discusión o análisis)

Los aerogeneradores eléctricos convierten la energía cinética del viento en energía cinética de su eje y luego esta en energía eléctrica. Un aerogenerador eléctrico posee diferentes elementos, generalmente posee los siguientes:

1. Base y cimientos

2. Punto de conexión a la estación transformadora

3. Torre de sustentación

4. Escalera interior

5. Góndola

6. Generador eléctrico

7. Anemómetro y veleta

8. Freno para fijación del rotor

9. Caja variadora de velocidad

10.Pala o árabe del rotor

11.Buje del generador

12.Sistema de orientación del rotor hacia el viento.

1. Base y cimientos

Para garantizar la estabilidad de una turbina eólica se construyen los cimientos, que pueden ser superficiales o profundos. El tipo de cimentación depende de la consistencia del suelo donde se va a instalar la máquina. Los aerogeneradores actuales de eje horizontal están constituidos por una cimentación subterránea de hormigón armado, adecuada al terreno y a las cargas del viento, sobre la cual se levanta una torre.

2. Punto de conexión a la estación transformadora

Los aerogeneradores son estructuras altas que están por lo general expuestas a las descargas eléctricas y son, por lo tanto, muy vulnerables a estos fenómenos. Las descargas eléctricas generalmente inciden sobre las puntas de los álabes del rotor. Se emplean diferentes soluciones para absorber estas descargas en los álabes. La corriente proveniente del rayo pasa entonces a lo largo del alabe por su interior a través de metales conductores, posteriormente pasa sobre la góndola para después ser dirigida hacia abajo por la torre hasta el anclaje terrestre. La corriente es desviada de las áreas altamente sensibles.

3. Torre de sustentación

La torre se construye no solo para resistir el peso de la góndola y de los álabes del rotor, sino también debe absorber las cargas causadas por la variación de potencia del viento, normalmente hueca por dentro para poder permitir el acceso a la góndola. Elevan el aerogenerador lo suficiente como para que sea capaz de acceder a velocidades del viento mayores, en contraste con las bajas velocidades en los puntos cercanos al terreno y la existencia de turbulencias, además las palas se ven sometidas a una menor diferencia de esfuerzos sobre el plano de giro del rotor.

Por otro lado, el aumento de la altura de la torre viene limitado por la necesidad de una mayor resistencia estructural y un costo más elevado de inversión e instalación, la altura es el resultado de una relación entre el aprovechamiento de

energía y el costo. En aerogeneradores grandes, aproximadamente la altura se relaciona con el diámetro del rotor.

H= a + 0.75 D donde: H: altura de la torre

D: diámetro del rotor

a= 15-20 m

Existen varios tipos de torres, como las que se describen a continuación:

• Torres tubulares de acero. La mayoría de los grandes aerogeneradores se construyen con torres tubulares de acero, fabricadas en secciones de 20-30 m con bridas en cada uno de los extremos, y son unidos con pernos in situ. Las torres son tronco-cónicas (es decir, con un diámetro creciente hacia la base), con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material. • Torres de concreto. Se construyen en el lugar y están limitadas por la altura, la que decide sobre esta solución. Evitan el problema de la transportación.• Torres de concreto prefabricado. En este caso los segmentos son colocados en la parte superior de uno sobre el otro in situ.• Torres de celosía. Son fabricadas utilizando perfiles de acero. La ventaja básica de estas torres es su costo, ya que solo requiere la mitad de material de una torre tubular sin sustentación adicional y con la misma rigidez. La principal desventaja es su apariencia visual. En cualquier caso, por razones estéticas, las torres de celosía han desaparecido prácticamente en los grandes aerogeneradores modernos. • Torres híbridas. Algunas torres son construidas con combinaciones de las antes mencionadas; por ejemplo, la parte inferior de concreto y la superior de acero. Hay tendencias a usar este tipo de torre en los grandes aerogeneradores.• Torres de mástil tensado con vientos. Muchos de los aerogeneradores pequeños están construidos con torres de mástil sostenidas por cables tensores. La ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto, de costo. Pueden ser izadas sin necesidad de grúas.

4. Escalera interior

Dentro de la torre hay una escalera para el acceso del personal a la góndola.

5. Góndola

La góndola o chasis es el cubículo donde se ubica el generador eléctrico, la caja variadora de velocidad y los sistemas de control, regulación, orientación y frenado. Formada por una estructura metálica, construida con placa y perfiles de acero colocada en el extremo superior de la torre. Se coloca sobre ella una cubierta de protección frente a lluvias, rayos, etc. Puede girar en torno a la torre para poner a la turbina encarada al viento, , por lo que se une a la torre mediante rodamientos. El diseño de la góndola depende de cómo el fabricante decidió ubicar los componentes

La masa de la góndola varía aproximadamente con el diámetro del rotor, según:

m= 2.6 x D2.4 donde: m: masa-kg

D: diámetro-m

6. Generador eléctrico

El generador de una turbina convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Para turbinas de gran potencia, los generadores asincrónicos doble alimentados se emplean con mayor frecuencia. En este caso, la velocidad de rotación puede ser variada, diferente a cuando se usan generadores asincrónicos convencionales (con rotor en jaula de ardilla). Otro concepto consiste en emplear generadores sincrónicos.

Hay diferencias entre los generadores sincrónicos y asincrónicos. Los últimos se emplean más, ya que pueden conectarse directamente a la red y son más robustos y de menor mantenimiento. Un generador sincrónico de velocidad constante conectado a la red presenta problemas técnicos muy difíciles de eliminar. Por lo anterior, actualmente no existen generadores sincrónicos de velocidad constante, sino de velocidad variable.  Éste no se puede conectar directamente a la red de corriente alterna con frecuencia constante, por lo que es preciso utilizar un convertidor de frecuencia como elemento intermedio entre el generador y la red. Esta desventaja de tener que utilizar un complicado sistema adicional para la sincronización se compensa con una mayor eficiencia de la turbina y una mejor compatibilidad con la red.

Un generador asíncrono de jaula de ardilla es el que se empezó a utilizar en las primeras turbinas eólicas. Debido a la gran diferencia de giro entre el eje del molino y el generador se necesita una caja de cambios. El devanado del estatórico se encuentra conectado a la

red. Se llaman turbinas de viento de velocidad constante, aunque el generador de inducción de jaula de ardilla permita pequeñas variaciones en la velocidad del rotor también llamado deslizamiento. Un generador de jaula de ardilla consume la potencia reactiva de la red. Esto no es algo deseable, sobre todo en una red débil. Por esta razón, se acoplan condensadores al generador.

En los generadores de inducción doble-alimentados se utiliza un primer concepto de velocidad variable. A través de la electrónica de potencia, se inyecta una corriente en el devanado del rotor del generador. El devanado estatórico del generador está conectado directamente a la red. La frecuencia de la corriente inyectada en el devanado del rotor es variable, por ello quedan desacopladas la frecuencia eléctrica y mecánica. Al hacerse esto, se permite el funcionamiento con velocidades variables. Una caja de cambio adapta las diferentes velocidades del rotor y el generador.

Los generadores sincrónicos usan un segundo concepto de velocidad variable. Estas turbinas no tienen una caja de cambio. El generador y la red quedan totalmente desacopladas mediante electrónica de potencia. En esta configuración, también se puede operar con velocidades variables. Algunos fabricantes usan generadores especiales que operan con bajas revoluciones. Los generadores con bajas velocidades de giro se reconocen fácilmente por sus diámetros relativamente grandes, colocados cerca del rotor de la turbina.

7. Anemómetro y veleta

La góndola posee sensores o instrumentos de medición que constantemente están midiendo los parámetros siguientes: velocidad (anemómetro) y dirección del viento (veleta), velocidad del rotor y del

generador, temperatura ambiente y de los componentes, presión del aceite, ángulo de paso y acimut (ángulo del mecanismo de orientación basado en la dirección del viento), magnitudes eléctricas y vibraciones en la góndola

Estos datos son usados para el control del generador. Por ejemplo, la dirección del viento es transmitida directamente al mecanismo de orientación que hace que el rotor siga al viento, mientras que la medición de la velocidad del viento permite operar, conectar o desconectar el generador. Los sensores, la lectura y el análisis de estos datos controlan el aerogenerador y ofrecen las bases para una correcta gestión operacional.

8. Freno para fijación del rotor

Las turbinas eólicas están equipadas con sistemas de seguridad muy avanzados. El sistema de frenado de discos permite, en situaciones de emergencia o de mantenimiento, parar el molino. Entre el generador y la caja multiplicadora se instala un acoplamiento que suele ser flexible. Igualmente se emplean frenos mecánicos en el tren de fuerza.

Generalmente hay dos tipos de frenos: los sistemas de freno aerodinámico y los sistemas mecánicos. Las normas que usualmente se usan en el diseño de aerogeneradores indican que los aerogeneradores deben poseer dos sistemas de freno independientes: uno aerodinámico (en la punta de los álabes o todo el alabe del rotor por sí mismo cambiando su ángulo de paso) y otro freno. Este último es generalmente un freno de disco mecánico en la mayoría de las turbinas. Este tipo de freno mecánico se emplea principalmente cuando el freno aerodinámico falla o la turbina está en reparación.

9. Caja variadora de velocidad

La función de la caja de cambios es adecuar la velocidad de giro del eje

principal a la que necesita el generador, es una caja de engranajes variador de velocidad (gear box).

En aerogeneradores multipalas, el variador de velocidad es un reductor de velocidad.

En aerogeneradores bipala o tripala, el generador gira a un elevado número de revoluciones (1000RPM o 1500RPM) por lo que los engranajes funcionan como multiplicador de velocidad para aumentar la velocidad hasta la requerida.

10.Pala o árabe del rotor

Actualmente la mayoría de los rotores tienen tres palas, un eje horizontal y un diámetro entre 40 y 90 m. Los rotores de molinos de viento tradicionales para el bombeo de agua emplean 16 palas o más (llegando a tener hasta 30) y se fabrican de metal. La experiencia ha demostrado que el rotor de tres palas es más eficiente para la generación de energía en las grandes turbinas. Además, los rotores de tres palas tienen una mejor distribución de masa, lo que permite una rotación más estable.

Los álabes del rotor son fabricados fundamentalmente de fibra de vidrio o fibra de carbón reforzado con plástico, conocidos como FVRP o FCRP. Las palas de madera, madera y resina epóxica o madera-fibra-resina epóxica son ya poco empleadas. Las palas de aluminio y aleaciones de acero son muy pesadas y vulnerables a la fatiga del material. Por esta razón, estos materiales se emplean solo en las turbinas eólicas muy pequeñas.

El perfil de los álabes es similar al de las alas de los aviones. Ellos realizan su función mediante el mismo principio de la fuerza de empuje: sobre la parte inferior del ala el viento pasa y genera una alta presión, mientras que por la parte superior

se genera una baja presión. Esta fuerza, además de la fuerza de resistencia, provoca que el rotor gire. Cada fabricante de palas las fabrica según su concepción y con sus propias características.

La ventaja de un número de palas reducido es la disminución del costo. Sin embargo el rotor monopala, a pesar de tener mayor velocidad y menos masa, requiere un equilibrio muy preciso. El rotor bipala presenta mayores esfuerzos dinámicos que el tripala. Cuando existe un número mayor de palas aumenta el coeficiente de potencia. Un rotor tripala produce un 3% más energía que un motor bipala. La potencia también se relaciona con el tamaño del diámetro del rotor, por lo que mientras mayor sea el diámetro del rotor mayor será la producción.

11.Buje del generador

 El buje es el centro del rotor y se fabrica de hierro o acero fundido.Si el aerogenerador tiene caja multiplicadora, el buje se conecta directamente al eje de baja velocidad de la caja multiplicadora y convierte la energía del viento en energía en rotación. Si la turbina no posee caja multiplicadora, la energía se transmite directamente al generador.

12.Sistema de orientación del rotor hacia el viento.

Existen dos tipos de disposición respecto al viento:

Barlovento: El viento incide antes sobre el rotor y luego sobre la torre y eso minimiza la influencia de su sombra sobre el rotor, requiere un rotor más rígido y alejado de la torre.

Sotavento: No requiere dispositivos de orientación, sin

embargo existe una pérdida de potencia y tensiones de fatiga.

Generación eléctrica:

Se convierte la energía cinética del viento en energía cinética de rotación. La caja multiplicadora cambia la velocidad, de modo que en el eje de conexión con el rotor la velocidad de giro es mayor.

La caja multiplicadora actúa como transformador mecánico para adecuar la velocidad a la frecuencia requerida en la red.

Control de potencia

En general, los aerogeneradores modernos de eje horizontal se diseñan para

trabajar con velocidades del viento que varían entre 3 y 25 m/s de promedio. La

primera es la llamada velocidad de conexión y la segunda la velocidad de corte.

Básicamente, el aerogenerador comienza produciendo energía eléctrica cuando la

velocidad del viento supera la velocidad de conexión y, a medida que la velocidad

del viento aumenta, la potencia generada es mayor, siguiendo la llamada curva de

potencia.

Asimismo, es necesario un sistema de control de las velocidades de rotación para

que, en caso de vientos excesivamente fuertes, que podrían poner en peligro la

instalación, haga girar a las aspas de la hélice de tal forma que éstas presenten la

mínima oposición al viento, con lo que la hélice se detendría.

Impacto sobre el medio ambiente

Este tipo de generadores se ha popularizado rápidamente al ser considerados

una fuente limpia de energía renovable, ya que no requieren, para la producción de

energía, una combustión que produzca residuos contaminantes o gases implicados

en el efecto invernadero. Sin embargo, su uso no está exento de impacto ambiental.

Su localización puede provocar efectos perniciosos, como el impacto visual en la

línea del horizonte, la gran superficie que ocupan debido a la separación necesaria

entre ellos —entre tres y diez diámetros de rotor— o el intenso ruido generado por

las palas, además de los efectos causados por las infraestructuras que es necesario

construir para el transporte de la energía eléctrica hasta los puntos de consumo.

Pese a que se investiga para minimizarlos, se siguen produciendo muertes de aves

por su causa, además de que se ven afectadas las poblaciones de quirópteros. En

algunas centrales eólicas mueren cada año cerca de 14 aves y 40 murciélagos por

cada MW instalado. Más recientemente, se ha propuesto la posibilidad de que su

uso generalizado podría incluso contribuir al calentamiento global al bloquear las

corrientes de aire.

Microeólica

Son aerogeneradores que se utilizan para uso personal. Los hay que producen

desde 50 W hasta unos pocos kW.

La configuración ideal de un aerogenerador es sobre un mástil sin necesidad de

cables de anclaje y en un lugar expuesto al viento. Muchos de los diseños

convencionales de turbinas eólicas no se recomiendan para su montaje en edificios.

Sin embargo, si el único sitio disponible es el tejado de un edificio, instalar un

pequeño sistema eólico puede ser factible si está lo suficientemente alto como para

minimizar la turbulencia, o si el régimen del viento en ese emplazamiento en

particular es favorable.

La mayoría de los sistemas de energía eólica disponibles necesitan la intervención

del dueño durante el funcionamiento. Muchos fabricantes ofrecen servicio de

mantenimiento para las turbinas eólicas que ellos instalan. El fabricante debe, en

cualquier caso, proporcionar información detallada acerca de los procedimientos de

mantenimiento.

Junto con los costes de inversión, se debe llevar a cabo una evaluación económica

que incluya los siguientes aspectos:

Reducción de los costes anuales de electricidad como resultado de la producción

de la misma por el sistema de energía eólica. Debe tener en cuenta expectativas

futuras del precio de la electricidad.

Posibles programas de apoyo por parte del Gobierno, por ejemplo, subvenciones

o incentivos fiscales para fomentar el uso de los sistemas de energía eólica.

Costes asociados a la emisión de CO2 (materias primas, construcción y

mantenimiento).

Además de las ventajas propias de la energía eólica, la microeólica es más eficiente

si se genera la electricidad cerca del lugar donde se consume, puesto que se

minimizan las pérdidas en el transporte. También es posible, en estos casos,

almacenar la energía en baterías para su uso en ausencia de viento.

Minieólica

No existe una frontera definida entre la microeólica y la minieólica. Generalmente, se

puede considerar que la microeólica comprende un único aerogenerador, mientras

que la frontera superior de la minieólica se define por potencia, y no debe superar

los 100 kW. Se denominan también aerogeneradores domésticos o de pequeña

potencia.

Aplicaciones:

Zonas aisladas: los miniaerogeneradores se utilizan en zonas aisladas donde

existe un gran coste o dificultad para llevar la energía de la red eléctrica. Aquí

estarían no sólo las viviendas o cabañas aisladas, también granjas, torres de

telecomunicación, bombeo de agua, etc. En estos casos el aerogenerador suele

ir acompañado de paneles solares fotovoltaicos que garantizan el óptimo

funcionamiento del sistema.

Instalaciones con un alto índice de consumo eléctrico: fábricas, desalinizadoras y

otras infraestructuras que consumen una gran cantidad de energía pueden

recurrir a la instalación de aerogeneradores para reducir el consumo eléctrico de

la red.

Conexión a la red: Los particulares y empresas que dispongan de un

aerogenerador de minieólica pueden consumir la energía que necesitan y vender

el sobrante a la red.

Dónde colocar un aerogenerador de pequeña potencia: hay que conocer los vientos

dominantes que existen en la zona y la forma en que pueden variar a lo largo del

año. Por lo general el punto más elevado del terreno es el que recibe más viento,

aunque esta regla puede verse alterada por la presencia de ríos, valles o zonas

boscosas, así como los obstáculos que existan alrededor como edificios o árboles.

Estos pueden variar tanto la velocidad, como la dirección del viento.

http://energiadoblecero.com/energias-renovables/energia-eolica/componentes-de-

un-aerogenerador

http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia36/HTML/articulo03.htm