capitulo i - Tesis Electrónicas UACh

Universidad Austral de Chile
Facultad de Ciencias de la Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil Acústica
ESTUDIO, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PARA EL
SECTOR COSTERO DE LA XIV REGIÓN, EN CORRAL
Tesis para optar al título de:
Ingeniero Electrónico.
Profesor Patrocinante:
Sr. Pedro Rey Clericus.
Ingeniero Electrónico.
Licenciado em Ciencias de La Ingeniería
Diplomado em Ciencias de La Ingeniería
RICHARD ALEX VELÁSQUEZ CÁRCAMO
VALDIVIA - CHILE
2010
Trabajo de Titulación
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II
COMISIÓN DE TITULACIÓN
PROFESOR PATROCINANTE:
SR. PEDRO REY C.
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PROFESORES INFORMANTES:
SR. FRANKLIN CASTRO R.
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SR. ALEJANDRO VILLEGAS M.
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FECHA DE EXAMEN DE TITULACIÓN:
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Estudio, Diseño y Construcción de un Generador Eólico
Richard Alex Velásquez Cárcamo
Trabajo de Titulación
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III
A mi esposa ......................
..........Alejandra..........
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Estudio, Diseño y Construcción de un Generador Eólico
Richard Alex Velásquez Cárcamo
Trabajo de Titulación
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IV
Agradezco........
A Dios por sobre todas las cosas, por la vida, salud
y la oportunidad de realizar este trabajo.
A mis Padres Sonia y Ricardo por su apoyo incondicional.
¡Gracias por su comprensión!
A mis compañeros con los cuales compartimos los buenos y difíciles momentos
en el transcurso de nuestros estudios.
A mi Profesor Patrocinante Don Pedro y
A mis Profesores Informantes Don Franklin y Don Alejandro por aceptar ser la
Comisión evaluadora y tutora Para la realización de este Proyecto.
¡Gracias Por su Apoyo!
Al mi Esposa Alejandra, quien escogió ser mi compañera
en el camino de mi vida.
¡Gracias por tu Amor!
A mi hija Belén, que te sirva de incentivo para cumplir tus metas.
¡Te quiero hija!
A todos aquellos que no nombré, pero que de algún modo se identifican
con este tan importante logro.
¡Muchas Gracias!
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Estudio, Diseño y Construcción de un Generador Eólico
Richard Alex Velásquez Cárcamo
Trabajo de Titulación
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V
ÍNDICE
RESUMEN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII
INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII
OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
CAPÍTULO I
Energía Eólica
1.1. Energías Renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Pág.17
1.1.1. La Energía Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.2. La Energía Hidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.3. La Energía Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.4.La Energía Geotérmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.5. La Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.6. La Mareomotriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2. Energía Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1. Ventajas de la Energía Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2. Una Energía Limpia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.3. El Sol, Una fuente Inagotable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
1.2.4. Aerogenerador o Generador Eólico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
CAPÍTULO II
Estado del Arte
2.1. Sistemas Eólicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1. Primeros Aerogeneradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.2. Aplicaciones y desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.3. Molino Persa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
2.1.4. Primer Aerogenerador d Corriente Continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
2.1.5. Primer Aerogenerador de Corriente Alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
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2.1.6. Aerogenerador más grande del mundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
2.1.7. Tendencia Actual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
2.1.8. Pequeños Aerogeneradores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
2.2. Tipos de Aerogeneradores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.1 Generadores Eólicos Horizontales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.2. Máquinas con rotor a barlovento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3. Máquinas con rotor a Sotavento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.4. Aerogenerador Tripala. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
2.2.5. Aerogenerador Bipala. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.6. Aerogenerador Monopala. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.7. Generadores Eólicos verticales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.8. Aerogenerador vertical Savonius. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.9. Aerogenerador vertical Darrieus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.10. Aerogenerador vertical Windside. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.11. Aerogenerador vertical Giromill. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3. Esquemas eléctricos para Aerogeneradores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.1. Esquemas eléctricos para DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
2.3.2. Esquemas eléctricos para AC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.3. Generadores Síncronos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.4. Generadores Asíncronos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
CAPÍTULO III
Modelos para el uso de la Energía Eólica
3.1. Analizando el Viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1. El Recurso eólico, Potencia del viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
3.1.2. La ley de Betz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.3. Distribución de Weibull . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.4. La Rugosidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.5. Emplazamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
3.1.6. Función de densidad de Potencia. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.7. Escala de Beaufort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
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3.1.8. Rendimiento de Aerogeneradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
CAPÍTULO IV
El Prototipo de Generador Eólico
4.1. Prototipo Aerogenerador de eje Vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.1. Antecedentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.2. ¿Por qué aerogenerador vertical?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
4.1.3. El prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
4.1.4. Esquema general eléctrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.5. El rotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.1.6. Los álabes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.7. El alternador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.8. La caja amplificadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.9. La batería. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1.10. El Inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
4.1.11. Plataforma de Sustentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
CAPÍTULO V
Pruebas y Obtención de Parámetros
5.1. Macro localización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2. Micro localización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 78
5.3. Mediciones de velocidad de viento en el sector de Huiro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.4. Pruebas del Prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .80
5.4.1. Rotor en Vacío. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4.2. Rotor con Alternador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
5.4.3. Curva del alternador del Prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
5.4.4. Curva del alternador del AIR-X de 400 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
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5.4.5. Curva de potencia y eficiencia energética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.5. Evaluación económica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
CAPÍTULO VI
Conclusiones y Etapa Final
6.1. CONCLUSIONES
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2. BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Apéndice
A. Detalle de los costos de Implementación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
B. Velocidad de viento en Huiro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
C. Medidas del Prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
D. Leyes aplicadas a las ERNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
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INDICE DE FIGURAS
1.1 Calentamiento del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 17
1.2 Generación de electricidad mediante paneles solares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Generación de electricidad mediante mini-hidráulica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4 Molinos para generación de electricidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5 Obtención de energía geotérmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
1.6 La Biomasa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.7 La fuerza de las mareas producen el movimiento de giro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.8 Ejemplo de aerogeneradores actuales para la generación de electricidad. . . . . . . . . . . 21
2.1 Molino Persa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2 Vela usada para propulsar una embarcación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Primer aerogenerador de corriente continua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 Primer aerogenerador de corriente alterna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
2.5 El aerogenerador más grande del mundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6 Partes de un aerogenerador horizontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
2.7 Aerogenerador a barlovento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.8 Aerogenerador a sotavento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.9 Aerogenerador horizontal tripala. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10 Aerogenerador horizontal bipala y buje oscilante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.11 Aerogenerador horizontal monopala y contrapeso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.12 Rotor Savonius. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2.13 Detalle del rotor Savonius. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2.14 Aerogenerador vertical Darrieus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
2.15 Aerogenerador vertical Windside. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
2.16 Prototipo Giromill. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
2.17 Aerogenerador de eje vertical para vientos fuertes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
2.18 Conversión de la energía en un aerogenerador con conexión indirecta. . . . . . . . . . .40
2.19 Alternador conectado a red continua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.20 Generador de imán permanente conectado a una red continua. . . . . . . . . . . . . . . 41
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2.21 Generador síncrono conectado directamente a la red alterna. . . . . . . . . . . . . . . .43
2.22 Generador síncrono con etapa de rectificación e inversión. . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.23 Generador síncrono con múltiples polos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.24 Generador asíncrono con arrancador suave y banco de capacitores. . . . . . . . . . . . 46
2.25 Generador asíncrono conectado directamente a la red alterna doblemente alimentado. . .46
2.26 Generador asíncrono con etapa de rectificación e inversión. . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1 Potencia del viento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2 Comportamiento del viento frente a un aerogenerador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52
3.3 Curva de eficiencia de Betz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
3.4 Distribución de viento de Weibull. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5 Emplazamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.6 Potencia dl viento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
3.7 Cp v/s TSR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1 Aerogenerador vertical “Darrieus-Savonius”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 Prototipo aerogenerador Darrieus-Savonius implementado. . . . . . . . . . . . . . . . .64
4.3 Esquema general eléctrico del prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
4.4 Rotor del Prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
4.5 Los álabes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6 Esquema general del alternador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.7 Circuito cargador de batería. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.8 Circuito regulador de voltaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.9 Alternador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
4.10 Modelo fasorial del generador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.11 Alimentación del alternador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.12 Relación de vueltas, para polea de 48 cm de Diámetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.13 La Batería. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.14 El Inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.15 Soporte del prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
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Trabajo de Titulación
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5.1 Macrolocalización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
5.2 Microlocalización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3 Ensayo en vacío del rotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4 Ensayo del rotor con alternador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.5 Polea con relación de vueltas 1:6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.6 Curva de potencia alternador de automóvil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.7 AIR-X de 400 Watts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
5.8 Curva de potencia AIR-X de 400 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
5.9 Potencia suministrada por el prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
5.10 Eficiencia del Prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
INDICE DE TABLAS
1.0 Rugosidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
1.1 Coeficientes de Rugosidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.2 Escala de Beaufort. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.3 Características generales de distintos generadores eólicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
1.4 Resumen velocidad de viento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
1.5 Potencia entregada por el prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
1.6 Costos generales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
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VI
RESUMEN
El objetivo de este trabajo es solucionar el problema de abastecimiento energético en zonas
costeras pertenecientes a la comuna de Corral, ya que aún hay localidades que no cuentan con
energía eléctrica.
El presente trabajo se presenta, a través de un análisis y estudio de los generadores eólicos,
sus características, tipos y funcionamiento en general.
También, seguido de esto, se realiza un estudio detallado del comportamiento del viento
relacionado con la energía eólica.
Después, se realiza un diseño y construcción de un prototipo de generador eólico de eje vertical
Darrieus-Savonius, en donde se emplearon diversos materiales y dispositivos eléctricos.
Una vez terminado el prototipo de aerogenerador, se prueba su funcionamiento en la localidad de
Huiro, entregando energía eléctrica a hogares aislados del sector costero de la comuna de Corral.
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VII
ABSTRACT
The aim of this paper is to solve the problem of energy supply in coastal areas outside the town of
Corral, because there are still towns that do not have electricity.
This paper presents, through an analysis and study of wind generators, their characteristics,
types and general functioning. It also followed that, it makes a detailed study of wind behavior
related to wind energy.
Then performing a design and construction of a prototype wind generator vertical axis DarrieusSavonius, where they used different materials and electrical devices. Once the wind turbine
prototype, tested for operation in the town to flee, delivering electricity isolated households of the
coastal area of the town of Corral.
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VIII
INTRODUCCIÓN
En la actualidad la mayoría de las familias poseen energía eléctrica, lo que facilita un
nivel de vida mejor. Mediante la energía eléctrica se puede tener iluminación, hacer funcionar
aparatos eléctricos, escuchar música, mirar televisión, etc. Pero hay familias que por su situación
geográfica no pueden tener acceso a la energía eléctrica, como lo es en el caso de los sectores de
Huiro, Cadillal y Punta Falsa, pertenecientes a la comuna de Corral. Este trabajo pretende dar
solución a este problema presentando un diseño de un prototipo de generador eólico con eje
vertical, que aprovecha las velocidades altas de viento en la zona.
Un generador eólico gira por efecto del viento, y conectado a un alternador produce un giro en
este. El giro del alternador produce energía eléctrica, energía que puede ser utilizada por las
familias del sector. Para ello se realiza un diseño de aerogenerador y una posterior construcción,
de un prototipo de aerogenerador.
Para llevar a cabo este trabajo se realiza un análisis y estudio de los aerogeneradores existentes
para
encontrar alguna alternativa de diseño, luego se recopilan materiales para su
implementación, a partir de este diseño se llevará a cabo la construcción del prototipo generador
eólico de eje vertical Darrieus-Savonius.
Una vez realizados los pasos anteriores se realizan las pruebas de funcionamiento del prototipo,
en condiciones normales. Hay que decir también que el diseño terminado podrá tener muchas
mejoras, ya sea, en cuanto a los materiales utilizados, su forma y demás detalles. Para este caso
no son relevantes, pero que con el tiempo, mas adelante pueden ser solucionables.
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IX
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
 Realizar un Estudio, Diseño y Construcción de un Prototipo de Generador Eólico para la zona
Costera de la XIV Región en Corral. Este Sistema debe aportar al abastecimiento Energético
Domiciliario.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
 Investigar y Analizar los diferentes tipos de aerogeneradores existentes en la actualidad
para el abastecimiento Energético.
 Analizar y Estudiar su Arquitectura identificando los elementos que lo componen y su
funcionamiento en forma general.
 Seleccionar la mejor alternativa para ser implementada en un Domicilio, en la zona costera
de Corral y que cumpla con el objetivo general.
 Indicar en forma detallada como se realiza el diseño, construcción y montaje de este prototipo
de aerogenerador.
 Supervisar el funcionamiento de este sistema en aplicaciones domésticas.
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CAPITULO I
ENERGÍA EÓLICA
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1.1. Energías Renovables
¿Qué son las Energías Renovables?
Son aquellas fuentes de energía que no se acabarán o estarán disponibles mientras nosotros
estemos en este planeta.
También son llamadas energías alternativas o blandas. Las energías renovables comprenden:
la energía solar, la hidráulica, la eólica, la geotérmica, la biomasa y la mareomotriz.
1.1.1 La Energía solar.
Esta energía es del directo aprovechamiento del calor del sol. De la que se puede obtener:
Calentamiento de agua hasta 60°C y Electricidad.
Fig. 1.1. Calentamiento de agua.
Fig.1.2. Generación de Electricidad mediante paneles Solares
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1.1.2 La Energía Hidráulica.
Se genera haciendo pasar una corriente de agua a través de una turbina.
Fig. 1.3. Generación de Electricidad mediante mini hidráulica.
1.1.3 La Energía Eólica.
Un aerogenerador obtiene su energía, convirtiendo la fuerza del viento en movimiento de giro.
Fig. 1.4. Molinos para Generación de Electricidad.
1.1.4 La Geotérmica.
La Geotermia aprovecha el calor interno de la tierra y el agua que proviene del subsuelo. Se
puede obtener calentamiento de agua y electricidad.
Fig. 1.5. Obtención de Energía Geotérmica.
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1.1.5 La Biomasa.
Es un término genérico referido a cualquier producto biológico que puede convertirse en
energía útil. Se puede obtener combustible energético directa o indirectamente de los recursos
biológicos.
Fig. 1.6. La Biomasa, procede de maderas, residuos agrícolas, estiércol, etc.
1.1.6 La Mareomotriz.
Se genera por medio del movimiento de las mareas. La fuerza de este elemento que cubre la
mayor parte del planeta es un potencial de fuente de energía, que en la actualidad se ha
convertido en una delas alternativas para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero,
que amenazan con la vida del planeta.
Fig. 1.7. La fuerza de las mareas producen el movimiento de giro.
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1.2. Energía Eólica.
La energía eólica es la energía cuyo origen proviene del movimiento de la masa de aire, es
decir, el viento. En la tierra el movimiento de las masas de aire se debe principalmente a la
diferencia de presiones existentes en distintos lugares de esta, moviéndose de alta a baja presión,
este tipo de viento se llama geoestrófico.
Para la generación de energía eléctrica a partir de la energía del viento a nosotros nos
interesa mucho más el origen de los vientos en zonas más específicas del planeta, estos vientos
son los llamados vientos locales, entre estos están las brisas marinas, que son debidas a la
diferencia de temperatura entre el mar y la tierra, también están los llamados vientos de montaña
que se producen por el calentamiento de las montañas y esto afecta en la densidad del aire y hace
que el viento suba por la ladera de la montaña o baje por esta dependiendo si es de noche o de
día.
1.2.1 Ventajas de la Energía Eólica
La energía eólica presenta ventajas frente a otras fuentes energéticas convencionales:
-
Procede indirectamente del sol, que calienta el aire y ocasiona el viento.
-
Se renueva de forma continua.
-
Es inagotable.
-
Es limpia. No contamina.
-
Es autóctona y universal. Existe en todo el mundo.
-
Cada vez es más barata conforme aumenta la tecnología.
-
Permite el desarrollo sin expoliar la naturaleza, respetando el medio ambiente.
-
Las instalaciones son fácilmente reversibles. No deja huella.
1.2.2 Una energía limpia
La generación de electricidad a partir del viento no produce gases tóxicos, ni contribuye
al efecto invernadero, ni a la lluvia ácida. No origina productos secundarios peligrosos ni
residuos contaminantes. Cada Kw/h de electricidad, generada por energía eólica en lugar de
carbón, evita la emisión de un kilogramo de dióxido de carbono CO2 a la Atmósfera. Cada árbol
es capaz de absorber 20 Kg de CO2; generar 20 Kilowatios de energía limpia, tiene el mismo
efecto, desde el punto de la contaminación atmosférica, que plantar un árbol.
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1.2.3 El sol, una fuente inagotable
La energía eólica forma parte de las energías renovables, que proceden del sol. La
energía eólica se considera una forma indirecta de energía solar, entre el 1 y 2% de la energía
proveniente del sol se convierte en viento. Debido al movimiento del aire ocasionado por el
desigual calentamiento de la superficie terrestre. La energía cinética del viento puede
transformarse en energía útil, tanto mecánica como eléctrica. La energía procedente de la
radiación solar, que la tierra absorbe en un año, equivale a unas 20 veces la energía almacenada
en todas las reservas de combustibles fósiles del mundo(carbón, petróleo y gas). Si se pudiera
aprovechar tan solo el 0,005% de dicha radiación mediante aerogeneradores, turbinas, paneles
solares y otros procedimientos tecnológicos “renovables” obtendríamos mas energía útil en un
año que la que conseguimos quemando carbón, petróleo y gas. Con la diferencia que las energías
renovables no se agotan.
1.2.4 Aerogenerador o generador Eólico
Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por la acción del viento. Sus
precedentes directos son los molinos de viento que se empleaban para la molienda y obtención de
harina. En este caso, la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento,
proporciona energía mecánica a un rotor hélice que, a través de un sistema de transmisión
mecánico, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte
la energía mecánica rotacional en energía eléctrica.
Fig. 1.8. Ejemplo de aerogeneradores actuales para generación de electricidad.
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CAPITULO II
ESTADO DEL ARTE DE LOS AEROGENERADORES.
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2.1. Sistemas Eólicos
El ser humano ha intentado aprovechar la energía del viento a lo largo de toda la historia,
mediante molinos para moler el grano, extraer agua, mover otras máquinas, impulsar medios de
transporte, barcos de vela, etc.
2.1.1 Primeros Aerogeneradores
Historia
Los molinos movidos por el viento tienen un origen remoto. En el siglo VII D.C. ya se
utilizaban molinos elementales en Persia para riego y para moler el grano. En estos primero
molinos la rueda que sujetaba las aspas eran horizontales y estaba soportada sobre un eje vertical.
Estas máquinas no resultaban demasiado eficaces, pero aún si se extendieron por China y el
Oriente próximo.
En Europa los primeros molinos aparecieron en el siglo XII en Francia e Inglaterra y se
distribuyeron por el continente. Eran unas estructuras de madera, conocidas como torres de
molino, que se hacían girar a mano alrededor de un poste central para levantar sus aspas al viento.
El molino de torre se desarrolló en Francia a lo largo del siglo XIV. Consistía en una torre
de piedra coronada por una estructura rotativa de madera que soportaba el eje de molino y la
máquina superior del mismo.
Estos primeros ejemplares tenían una serie de características comunes. De la parte superior
del molino sobresalía un eje horizontal. De este eje partían de cuatro a ocho aspas, con una
longitud entre 3 y 9 metros. Las vigas de madera se cubrían con telas o planchas de madera. La
energía generada por el giro del eje se transmitía, a través de un sistema de engranajes, a la
maquinaria del molino emplazada en la base de la estructura.
2.1.2 Aplicaciones y Desarrollo
Además de emplearse para el riego y moler el grano, los molinos construidos entre los
siglos XV y XIX tenían otras aplicaciones, como el bombeo de agua en tierras bajo el nivel del
mar, aserradores de madera, fábricas de papel, prensado de semillas para producir aceite, así
como para triturar todo tipo de materiales. En el siglo XIX se llegaron a construir unos 9.000
molinos en Holanda.
El avance más importante fue la introducción del abanico de aspas, inventado en 1745, que
giraba impulsado por el viento. En 1772 se introdujo el aspa con resortes. Este tipo de aspas
consiste en unas cerraduras de madera que se controlan de forma manual o automática, a fin de
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mantener una velocidad de giro constante en caso de vientos variables. Otros avances importantes
han sido los frenos Hidráulicos para detener el movimiento de las aspas y la utilización de aspas
aerodinámicas en forma de hélice, que incrementan el rendimiento de los molinos con vientos
débiles.
El uso de las turbinas de viento para generar electricidad comenzó en Dinamarca a finales
del siglo XIX y se ha extendido por todo el mundo. Los molinos para el bombeo de agua se
emplearon a gran escala durante el asentamiento en las regiones áridas del Oeste de Estados
Unidos. Pequeñas turbinas de viento generadoras de electricidad abastecían a numerosas
comunidades rurales hasta la década de 1930, cuando en Estados Unidos se extendieron las redes
eléctricas.
2.1.3 Molino Persa
Los molinos más antiguos, pertenecientes a la civilización Persa en el siglo 7 D.C, eran de
eje vertical y se utilizaban para la molienda y bombeo de agua.
Fig. 2.1. Molino Persa.
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Fig. 2.2. vela usada para propulsar a una embarcación.
2.1.4 Primer Aerogenerador de Corriente Continua
Charles F. Brush (1849-1929) es uno de los fundadores de la industria eléctrica americana.
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. Era un gigante la más grande del
mundo con un diámetro de rotor de 17 m y 144 palas fabricadas en madera de cedro.
Fig. 2.3. Primer Aerogenerador de corriente continua.
A pesar del tamaño de la turbina, el generador era solamente un modelo de 12 Kw y de
corriente continua. Esto se debe al hecho de que las turbinas eólicas de giro lento del tipo
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americano de rosa de los vientos no tienen una eficiencia media particularmente alta. Fue el
Danés Poul la Cour quién mas tarde descubrió que las turbinas eólicas de giro rápido con pocas
palas de rotor son más eficientes para la producción de electricidad que aquellas de giro lento.
2.1.5 Primer Aerogenerador de Corriente Alterna
En 1956, en Dinamarca, se construyó el primer aerogenerador de corriente alterna el
llamado Gedser. Tenía muchas innovaciones tecnológicas, no sólo en lo que concierne a la
generación de electricidad, sino también en el campo de la aerodinámica y sistema de control con
frenos aerodinámicos y regulación por pérdida de velocidad.
Fig. 2.4. Primer aerogenerador de corriente alterna.
2.1.6 Aerogenerador más grande del mundo
Hoy hasta la fecha el aerogenerador instalado más grande es el E-112 de la empresa alemana
Enercon. Es un aerogenerador de eje horizontal con un rotor de 112 m de diámetro y puede
generar una potencia de 4,5 MW. Su generador es de tipo sincrónico
especialmente
dimensionado para evitar la utilización de una caja mecánica amplificadora de RPM. Evitar esta
componente mecánica es ventajoso por la mejora sustancial de la eficiencia global del
aerogenerador en la conversión de energía.
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Fig. 2.5. E-112, El aerogenerador más grande del mundo.
2.1.7 Tendencia actual
Las modernas turbias de viento se mueven por dos procedimientos; el arrastre, en que el
viento empuja las aspas, y la elevación, en el que las aspas se mueven de un modo parecido a las
alas de un avión a través de una corriente de aire. Las turbinas de viento se pueden clasificar en
turbinas de eje horizontal, en las que los ejes principales están paralelos al suelo y turbinas de eje
vertical, con los ejes perpendiculares al suelo. Las turbinas de ejes horizontales utilizadas para
generar electricidad tienen de una a tres aspas, mientras que las empleadas para bombeo pueden
tener muchas más.
Las turbinas eólicas actuales que se conectan a la red producen hasta 5MW de energía eléctrica y
tienen rotores de hasta 100 metros de diámetro. A diferencia de otras formas de generación de
energía, estos aparatos trabajan con una fuente de potencia que fluctúa en el tiempo debido a las
ráfagas, por lo que se debe diseñar cuidadosamente el sistema de control y la resistencia a la
fatiga de los componentes. Por otra parte se requieren robustez y confiabilidad. Esto implica
especificaciones de diseño muy particulares y da lugar al desarrollo de tecnologías diversas y
sofisticadas en las áreas de máquinas eléctricas, electrotecnia, electrónica, control y otras.
El concepto mas usado actualmente es del aparato tripala de eje horizontal alimentando una red
trifásica. Los países con industrias eólicas más importantes son Dinamarca, España, Alemania y
Estados Unidos. Durante las últimas dos décadas la potencia de las turbinas eólicas aumentó
hasta superar los 3 MW. Se han probado y desarrollados diferentes conceptos. Entre las
modificaciones y evoluciones más importantes en el área de control se encuentran la
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implementación de paso variable de las palas (cambio de ángulo de incidencia) y el control por
entrada en pérdida aerodinámica de las palas. Los conceptos asociados a máquinas eléctrica
utilizadas sufrieron grandes cambios creándose nuevas alternativas. Desde 1993 algunos
fabricantes reemplazaron los tradicionales generadores asíncronos por los síncronos mientras que
otros fabricantes implementaron generadores asíncronos con rotor bobinado en lugar del rotor de
jaula. Los desarrollos eléctricos incluyen el uso de la electrónica de potencia, con lo que se logra,
entre otras cosas, una velocidad de operación del rotor variable. Debido a la rápida evolución de
la electrónica de potencia, que ofrece tanto mayor potencia transmitida como menor precio/Kw,
la implementación de dicha electrónica se encuentra en aumento. Actualmente se evalúan nuevos
conceptos.
2.1.8. Pequeños aerogeneradores
Estos aerogeneradores aumentan cada día su importancia en nuestro país, pero no han visto
una disminución en sus costos. No obstante, siguen siendo una de las pocas alternativas, y en
algunos casos la única, que pueden solucionar problemas de abastecimiento energético en zonas
aisladas. Tal como ocurre con las celdas solares, la gran ventaja de estos pequeños
aerogeneradores es la portabilidad del conversor energético. Son una solución excelente sobre
todo cuando trabajan en conjunto a otros sistemas energéticos portátiles como en el caso de las
celdas solares.
Estos sistemas necesitan de un banco de baterías para poder manejar adecuadamente las
fluctuaciones de la generación eléctrica y las fluctuaciones del consumo. Mediante esta interfaz
(banco de baterías) se pueden diseñar sistemas donde las baterías cubran requerimientos de
potencia superiores a los que los generadores en su estado nominal pueden entregar. Lo que tiene
que mantenerse dentro del rango de seguridad es la energía que los recursos naturales pueden
entregar a los generadores, la cual tiene que ser mayor a la energía que los consumos van a
utilizar.
2.2. Tipos de Aerogeneradores
En la actualidad se conocen dos principales tipos de aerogeneradores, estos son:
Generadores eólicos horizontales y Generadores eólicos Verticales.
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2.2.1 Generadores Eólicos Horizontales
Son aquellos en los que el eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al piso. Ésta es
la tecnología que se ha impuesto, por su eficiencia, confiabilidad y la capacidad de adaptarse a
diferentes potencias.
Las partes principales de un aerogenerador de eje horizontal son:
Rotor
Las palas del rotor, construidas mayormente en materiales compuestos, se diseñan para
transformar la energía del viento en un torque en el eje del equipo. Los rotores modernos pueden
llegar a tener diámetros superiores a 42 metros y erogar potencias equivalentes a varios MW. La
velocidad de rotación está normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuyo límite
actual se establece por criterios acústicos.
Caja de Engranajes
También llamada caja multiplicadora. Puede estar presente o no dependiendo del modelo.
Transforman la baja velocidad del eje del rotor en alta velocidad de rotación en el eje del
generador eléctrico.
La Torre
Ubica al generador a una mayor altura donde los vientos son de mayor intensidad y
transmite las cargas del equipo al suelo.
Generador
Aparato que se utiliza para convertir la energía mecánica en eléctrica, o a la inversa, con
medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica se le
denomina generador, alternador o dínamo, y a una máquina que convierte la energía eléctrica en
mecánica se le denomina motor.
Sistema de Control
Responsable por el seguro y eficiente funcionamiento del equipo, controla la orientación
de la góndola, la posición de las palas y la potencia total erogada por el equipo.
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Fig. 2.6. Partes de un Aerogenerador Horizontal.
Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje de rotación principal en la parte
superior de la torre, que tiene que enfrentar al viento de alguna manera. Los aerogeneradores
pequeños son dirigidos por una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de
dirección y son orientados por servomotores. Dado que la velocidad de rotación de las aspas es
baja, la mayoría hacen uso de una caja reductora para aumentar la velocidad de rotación del
generador eléctrico.
En general, la hélice es emplazada de tal manera que el viento, en su dirección de flujo, la
encuentre antes que a la torre (rotor a barlovento). Esto disminuye las cargas adicionales que
genera la turbulencia de la torre en el caso en que el rotor se ubique detrás de la misma (rotor a
sotavento). Las palas de la hélice se montan a una distancia razonable de la torre y tienen rigidez
alta, de tal manera que al rotar y vibrar naturalmente no choquen con la torre en caso de vientos
fuertes. A pesar de la desventaja en el incremento de la turbulencia, algunos aerogeneradores, con
hélices localizadas en la parte posterior de la torre, han sido construidos debido a que se orientan
en contra del viento de manera natural, sin necesidad de usar un mecanismo de control. Sin
embargo, la experiencia a demostrado la necesidad de un sistema de orientación para la hélice
que la ubique delante de la torre. Este tipo de montaje se justifica debido a la gran influencia que
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tiene la turbulencia en el desgaste de las aspas por fatiga. La mayoría de los aerogeneradores
actuales son de este último tipo.
2.2.2 Máquinas Con Rotor a Barlovento
Las máquinas con rotor a barlovento tiene el rotor de cara al viento. La principal ventaja
de los diseños corriente arriba es que se evita el abrigo del viento tras la torre. La gran mayoría de
los aerogeneradores tienen este diseño. Por otro lado, también hay algo de abrigo enfrente de la
torre, es decir, el viento empieza a desviarse de la torre antes de alcanzarla, incluso si la torre es
redonda y lisa. Así pues, cada vez que el rotor pasa por la torre, la potencia del aerogenerador cae
ligeramente.
El principal inconveniente de los diseños corriente arriba es que el rotor necesita ser bastante
inflexible, y estar situado a una cierta distancia de la torre. Además, una máquina corriente arriba
necesita de un mecanismo de orientación para mantener el rotor de cara al viento.
Fig. 2.7. Aerogenerador a Barlovento.
2.2.3 Máquinas Con Rotor a Sotavento
Las máquinas con rotor a sotavento tiene el rotor situado en la parte trasera de la torre. La
ventaja teórica que tienen es que pueden ser construidos sin un mecanismo de orientación, si el
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rotor y la góndola tienen un diseño apropiado que hace que la góndola siga al viento pasivamente.
Otra ventaja más importante es que el rotor puede hacerse más flexible. Esto supone una ventaja
tanto en cuestión de peso como de dinámica estructural de la máquina, es decir, las palas se
curvarán a altas velocidades del viento, con lo que le quitarán parte de la carga a la torre.
El inconveniente principal es la fluctuación de la potencia eólica, debida al paso del rotor a través
del abrigo de la torre. Esto puede crear mas cargas de fatiga en la turbina que con un diseño
corriente arriba.
Fig. 2.8. Aerogenerador a Sotavento.
2.2.4 Aerogenerador Tripala
La mayoría de los aerogeneradores modernos tiene diseño tripala, con el rotor a
barlovento, usando motores eléctricos en su mecanismo de orientación. A este diseño se le suele
llamar el clásico “Concepto Danés”, y tiende a imponerse como estándar al resto de conceptos
evaluados. La gran mayoría de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este
diseño. El concepto básico fue introducido por primera vez por el célebre aerogenerador de
Gedser.
Fig. 2.9. Aerogenerador horizontal tripala.
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2.2.5 Aerogenerador Bipala
Los diseños bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala, y,
por supuesto, su peso. Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en
parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida.
Esto supone una desventaja tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual.
Últimamente, varios fabricantes tradicionales de máquinas bipala han cambiado a diseños tripala.
Las máquinas bipala y monopala requieren de un diseño más complejo, con un rotor
basculante(buje oscilante), como el que se muestra en el dibujo, es decir, el rotor tiene que ser
capaz de inclinarse, con el fin de evitar fuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las
palas pasa por la torre. Así pues el rotor está montado en el extremo de un eje perpendicular al
eje principal, y que gira junto con el eje principal. Esta disposición puede necesitar de
amortiguadores adicionales que eviten que las palas del rotor choquen contra la torre.
Fig. 2.10. Aerogenerador horizontal Bipala y Buje oscilante.
2.2.6 Aerogenerador monopala
Estos diseños existen y, de hecho, ahorran el coste de otra pala. Si algo puede ser
construido, los ingenieros lo harán. Sin embargo, los aerogeneradores monopala no están muy
extendidos comercialmente, pues los inconvenientes de los bipala también son aplicables, e
incluso en mayor medida, a las máquinas monopala. Además de una mayor velocidad de giro, y
de los problemas de ruido y de instrucción visual, necesitan un contrapeso en el lado del buje
opuesto a la pala que equilibre el rotor. Obviamente, esto anula el ahorro de peso comparado con
un diseño bipala.
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Fig. 2.11. Aerogenerador horizontal monopala y contrapeso.
2.2.7 Generadores Eólicos Verticales
Son aquellos en los que el eje de rotación del equipo se encuentra perpendicular al piso.
Consideraciones Técnicas
Los aerogeneradores de eje vertical tienen la ventaja de adaptarse a cualquier dirección de
viento y por ello se les llama panemonos (todos los vientos). No precisan dispositivos de
orientación; trabajan por la diferencia de coeficiente de arrastre entre las dos mitades de la
sección expuesta al viento. Esta diferencia de resistencia al viento hace que el rotor sea propenso
a girar sobre su eje en una dirección específica. A excepción del rotor Darrieus, los
aerogeneradores de eje vertical operan con vientos de baja velocidad donde difícilmente superan
las 200 (RPM). Se emplean para generar potencias que van de los 200 (W) a los 4 (MW). En
estricto rigor no necesitan de una torre. Generalmente se caracterizan por tener altos torques de
partida. El Darrieus es la excepción a las características antes mencionadas.
Otra particularidad de estos aerogeneradores es que son mucho más fáciles de reparar pues todos
los elementos de transformación de la energía del viento se encuentran a nivel de suelo. El
inconveniente de este tipo de turbinas es que el eje no se ubica a mucha altura y las velocidades
del viento disminuyen al llegar al suelo por efecto de la rugosidad del mismo.
La velocidad del viento crece de forma importante con la altura, con lo que estos aerogeneradores
han sido desplazados por los de eje horizontal. De todas formas, colocar un aerogenerador a más
altura mediante una torre implica incurrir en costos adicionales ligados a la seguridad del soporte
del aerogenerador.
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2.2.8 Aerogenerador vertical Savonius
El modelo del rotor Savonius es el más simple. Consiste en un cilindro hueco partido por la
mitad, en el cual sus dos mitades han sido desplazadas para convertirlas en una S; las partes
cóncavas de la S captan el viento, mientras que los reversos presentan una menor resistencia al
viento, por lo que girarán en el sentido que menos resistencia ofrezcan. Este sistema tiene el
inconveniente de presentar una sobre presión en el interior de las zonas cóncavas al no poder salir
el aire, perjudicando el rendimiento; el sistema queda mejorado separando ambas palas y dejando
un hueco entre ambas para que exista un flujo de aire.
Fig. 2.12. Rotor Savonius.
Debido a la gran resistencia al aire que ofrece este tipo de rotor, sólo puede ser utilizado a
bajas velocidades. El uso para la generación de energía eléctrica precisaría de multiplicadores de
giro que reducirían el rendimiento. Es por tanto útil para aplicaciones de tipo mecánico, como el
bombeo de agua.
Fig. 2.13. Detalle del rotor Savonius.
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2.2.9 Aerogenerador vertical Darrieus
Patentado por Georges. J. M. Darrieus en 1931, este modelo es el más popular de los
aerogeneradores de eje vertical. Nace por la necesidad de evitar la construcción de hélices
sofisticadas como las que se utilizan en los aerogeneradores de eje horizontal. Permite mayores
velocidades que las del rotor Savonius, pero no alcanza a las de un rotor de eje horizontal.
Fig. 2.14. Aerogenerador vertical Darrieus.
El rotor Darrieus consta de unas finas palas con forma de ala de avión simétricas, que están
unidas al eje sólo por los dos extremos, con una curva especial diseñada para un máximo
rendimiento entre las dos uniones del eje. El modelo de curva más utilizado es el denominado
Troposkien, aunque también se utiliza la catenaria.
Como los otros aerogeneradores de eje vertical, el Darrieus no necesita de un sistema de
orientación. Esta característica de captación omnidireccional le permite ser instalado en cualquier
terreno sin necesidad de levantar altas torres, lo cual se traduce en un ahorro sustancial. Al poseer
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una forma parecida a una cuerda para saltar, hace que los alerones del Darrieus experimenten una
fuerza centrífuga. Al trabajar en pura tensión hace que los alerones sean simples y económicos.
Este rotor presenta el problema que no puede arrancar por si mismo, teniendo que
emplearse un sistema de arranque secundario, aunque una vez en marcha es capaz de mantenerse
gracias a la aerodinámica de sus palas. Muchas veces se aplica al diseño de este aerogenerador,
rotores Savonius para facilitar la partida. La otra forma es usar un sistema eléctrico para la
partida. Usualmente se ocupa un generador de inducción conectado a la red. Una vez que el
Darrieus se encuentra en velocidad de operación empieza a otorgar potencia.
2.2.10 Aerogenerador Vertical Windside
Este es un prototipo concebido por una empresa finlandesa windside. Este aerogenerador es
capaza de producir 50 KW y tiene la tarea de climatizar un centro comercial de Turku
(Finlandia). Esta tecnología relativamente nueva y prometedora tiene rendimientos similares a los
aerogeneradores de eje horizontal y es aplicada para abastecer pequeños consumos.
Fig. 2.15. Aerogenerador Vertical Windside.
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2.2.11 Aerogenerador Vertical Giromill
Este es un nuevo modelo de aerogenerador, eficaz para soportar vientos de velocidad mayor a los
de eje horizontal. De esta configuración han surgido varios modelos capaces de soportar mayores
velocidades de vientos con mas alerones presentando una resistencia máxima al viento cuando se
sitúa en la zona de avance de giro y prácticamente nula resistencia cuando están en la zona de
retorno del generador mediante palas abatibles, como el que se muestra en la Fig. 24.
Fig. 2.16. Prototipo Giromill
Fig. 2.17. Aerogenerador de eje vertical para vientos fuertes.
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2.3. Esquemas eléctricos para aerogeneradores
A la hora de generar energía eléctrica por medio de la potencia del viento existe una gran
variedad de configuraciones posibles que se diferencian en las características eléctricas,
electrónicas y mecánicas.
Desde el punto de vista del generador se pueden diferenciar los siguientes los asíncronos
(AG) de los síncronos (SG). A su vez los primeros pueden tener rotor de jaula o rotor bobinado,
mientras que los segundos pueden usar imanes permanentes o rotor bobinado.
Por otra parte, se pueden distinguir las configuraciones que poseen cajas multiplicadoras y
las que no las tienen. Las primeras aumentan la velocidad de giro de las palas, que es del orden de
15 RPM para turbinas grandes, para utilizar generadores rápidos, de pocos polos y compactos.
Este tipo de generadores resultan atractivos pero implican el aumento de la complejidad del
sistema debido a la caja multiplicadora. Por el contrario, los aerogeneradores sin caja
multiplicadora tiene generadores de varios polos, más grandes y lentos.
Otra importante distinción es la que existe entre la conexión directa y la indirecta. En la primera
el generador entrega corriente trifásica con la frecuencia de la red, mientras que en el segundo
caso el generador entrega frecuencia variable y esta debe ser rectificada y convertida en corriente
trifásica mediante un dispositivo denominado conversor de frecuencia. Un conversor de
frecuencia tradicional consiste de: un rectificador (AC a DC), un almacenador de energía, y un
inversor (DC a AC) de frecuencia controlable. Existen tipos de conexión que rectifican parte de
la potencia generada, para compensar la potencia reactiva o para excitar el inductor.
Por último, un dato importante es el tipo de control de potencia, es decir, el método por el
cual se controla la potencia recogida del viento por las palas. Este punto es importante no solo
para regular la potencia eléctrica entregada sino también para garantizar la integridad del
conjunto generador ante los periodos de viento excesivamente fuertes. El método de entrada en
pérdida consiste en la reducción de la potencia recogida por las palas debida a una entrada en
pérdida aerodinámica de las mismas, mientras que el método de control de ángulo de paso
consiste en la regulación por cambio del ángulo de paso de las palas.
Algunos de los criterios con los que se eligen las características recientemente mencionadas son
el peso de los materiales activos, aplicabilidad de la electrónica de potencia, consideraciones de
protecciones y aspectos de servicio y mantenimiento. Las nuevas tecnologías relacionadas a la
electrónica de potencia, automatización y control hacen posible diseños innovadores.
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Fig. 2.18. Conversión de la energía en un aerogenerador con conexión indirecta.
2.3.1 Esquemas Eléctricos para DC
Dínamos
Los generadores DC o dínamos convierten una energía mecánica de entrada en energía eléctrica
de salida en forma de corriente continua. En la actualidad estos generadores han caído en desuso
y han sido sustituidos por diodos rectificadores de silicio, que transforman la CA en DC en forma
estática y con mayor rendimiento.
Alternador en continua
Es común generar continua mediante máquinas en alterna. Para el caso de los pequeños
aerogeneradores (Potencia producida menor a 1kW) se puede afirmar que entregan su energía a
una red DC, un alternador con regulador de carga puede ser capaz de almacenar energía en
continua a partir de CA.
Para la generación de energía eólica, la tendencia es utilizar alternadores de múltiples imanes
permanentes con igual número de embobinados de estator lo cual define un gran número de
polos. El descubrimiento de materiales que manifiestan un poder magnético superior ha sido
determinante en el desarrollo de pequeños y mediando generadores permitiendo disminuir
considerablemente su tamaño sustituyendo los electroimanes. Colocar un mayor número de
imanes en el generador implica rebajar su rango de operación considerando revoluciones en el
eje. Rebajar el rango de operación del alternador tiene el objetivo de evitar el uso de una caja
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mecánica amplificadora de revoluciones RPM. Dejar de lado componentes mecánicos significa
evitar pérdidas que comprometan la eficiencia global de la conversión energética.
Fig. 2.19. Alternador conectado a red continua.
La siguiente figura muestra el esquema de un generador de imanes permanentes y sin caja
multiplicadora, que es típica en aerogeneradores pequeños usados para cargar baterías a través de
un rectificador.
Fig. 2.20. Generador de imán permanente conectado a una red continua.
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En la figura anterior se puede apreciar que el rotor está constituido por imanes permanentes. Se
justifica el uso de estos imanes para lograr alternadores de múltiples polos con un rotor de
diámetro razonable. Si se quisiera dotar al rotor de electroimanes manteniendo el número de
polos, difícilmente se lograría mantener el diámetro de la máquina y se agregaría de todas formas,
una complejidad estructural importante.
2.3.2 Esquemas Eléctricos para CA
2.3.3 Generadores Síncronos
Estos Generadores tienen una velocidad de rotación proporcional a la frecuencia de red que
alimenta el estator. Esta relación se define en la ecuación 1.0.
n = 60 • f
P
(1.0)
Donde:
▪ n : Revoluciones por minuto [RPM].
▪ f : Frecuencia de la red (en nuestro caso 50[Hz]).
▪ p : número de pares de polos en el estator.
Estos tipos de generadores radican su importancia en que son muy utilizados en la generación de
electricidad, por la facilidad de manejar la magnitud y potencia que se inyecta a la red, sólo
modificando la corriente de campo.
Dentro de la operación de este sistema es posible determinar cuánta potencia activa y reactiva se
está aportando a la red (o, consumiendo de la red). Esto permite al generador síncrono ir
ajustando el factor de potencia de forma adecuada para un funcionamiento óptimo.
Para los sistemas eólicos se pueden configurar esquemas de generadores de modo que se
conecten directamente a la red de un sistema interconectado. Sobre todo cuando se trata de
grandes aerogeneradores. Esto se puede apreciar en los siguientes esquemas:
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Fig. 2.21. Generador síncrono conectado directamente a la red alterna.
Fig. 2.22. Generador síncrono con etapa de rectificación e inversión.
El objetivo es que independientemente de los esquemas antes mencionados se debe mantener la
sincronización para el ingreso de la energía a la red trifásica.
Para el caso de la figura 2.21, el sincronismo dependerá principalmente de la velocidad del rotor
del generador, el cual se puede ajustar con medidas aerodinámicas que incluye, cambio de ángulo
de ataque en las aspas, caja amplificadora de razón variable o ambas.
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Para la figura 2.22, no será importante la velocidad de giro del generador, independiente de esto,
la frecuencia inicial se someterá a una rectificación mediante un puente rectificador trifásico para
obtener a partir de esta una señal continua. Luego de esto se somete esta señal a un inversor para
generar nuevamente las tres fases alternas, típicas en los sistemas trifásicos con características de
frecuencia 50 Hz y desfase de 120°. Además se puede optimizar el sincronismo de forma más
eficaz y más controlada que con el esquema de la figura 2.21.
El diseño de un alternador de múltiples polos puede otorgar la posibilidad de eliminar la caja
amplificadora de RPM llevando la velocidad de operación de la máquina a la velocidad de
rotación de las aspas. Lo que permite mejorar la eficiencia eliminando perdidas asociadas. Para
poder controlar la frecuencia de salida y el nivel del voltaje se efectúa con electrónica de
potencia, es decir, añadiendo componentes como lo son de rectificación e inversión.
El esquema de esta configuración se muestra a continuación en la figura 2.23.
Fig. 2.23. Generador síncrono de múltiples polos.
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2.3.4 Generadores Asíncronos
Se basan en el fenómeno de campo magnético rotatorio resultante, al alimentar los embobinados
de estator con voltajes sinusoidales trifásicos desfasados en 120° entre sí. Se definen asincrónicos
porque la velocidad del rotor no es la del sincronismo impuesto por la red. La máquina más
popular, es el motor e inducción de jaula de ardilla, el que conectado a la red puede operar como
generador.
Generalmente estas máquinas se utilizan como motores trifásicos y no como generadores.
Los generadores de Inducción se utilizan como generadores al estar conectados a la red trifásica
manejando el deslizamiento. No necesitan control, salvo el manejo de la potencia mecánica y por
su estructura de rotor de jaula de ardilla no tiene escobillas conectadas, lo cual los exenta de las
mantenciones típicas que tiene las máquinas eléctricas de rotor bobinado. También utiliza un
cicloconversor en la salida que permite bajar el nivel de voltaje generado adaptándolo al nivel de
la red.
Utilizando como concepto convencional en generadores de gran potencia. El banco de
capacitores compensa la potencia reactiva y el arrancador suave proporciona una conexión suave
a la red. Esto último es importante ya que si se conectara el aerogenerador a la red con un
seccionador existiría una repentina caída de tensión en la red debido a la energía necesaria para
magnetizar el generador. Esto se soluciona utilizando grandes tiristores que conectan el generador
progresivamente, esto se aprecia en la siguiente figura:
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Fig. 2.24. Generador asíncrono con arrancador suave y banco de capacitores.
En la figura anterior también se puede remplazar el arrancador suave y el banco de capacitores
por un cicloconversor tiristorizado y conectarlo directamente a la red alterna.
Otra configuración emplea un generador de doble alimentación (ver Fig. 2.25). Un conversor de
frecuencia controla directamente las corrientes en los bobinados del rotor. Esto permite el control
de la salida del generador. Este concepto es atractivo por dos razones:
1. Velocidad variable en un rango más amplio.
2. Más barato que la configuración que utiliza un conversor de frecuencia.
Fig. 2.25. Generador asíncrono conectado directamente a la red alterna doblemente alimentado.
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La figura anterior pertenece a la gama de las máquinas de inducción que utilizan embobinado del
rotor, este puede estar en cortocircuito, para operar como jaula de ardilla. La ventaja de tener
embobinados de rotor es la posibilidad de controlar la magnitud de la corriente que circula por
ellos y así modificar el deslizamiento favorablemente. La figura siguiente es otro ejemplo de
estas configuraciones:
Fig. 2.26. Generador asíncrono con etapa de rectificación e inversión.
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CAPITULO III
MODELOS PARA EL USO DE LA ENERGÍA EOLICA
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3.1. Analizando el Viento
3.1.1 El Recurso Eólico, Potencia del viento
Una de las características del recurso eólico es su condición aleatoria y variable, por cuanto
depende de condiciones atmosféricas. Asimismo, los vientos potencialmente aprovechables para
la generación de electricidad se encuentran concentrados en zonas relativamente pequeñas o
sitios específicos, por lo que el primer paso para su aprovechamiento es la prospección (o
evaluación de las características del viento). Para ello, existen diferentes técnicas, que van desde
la referencia popular hasta el uso de imágenes de satélite. Sin embargo, no importa qué tan
sofisticados sean los métodos de prospección; la evaluación de la factibilidad técnico-económica
de un proyecto Eolo-eléctrico exige un conocimiento detallado del comportamiento del viento y,
para ello, es imprescindible llevar a cabo mediciones anemométricas in situ.
Se conoce que el aire posee masa, se manifiesta en forma de viento que lleva consigo energía
cinética que, mediante una turbina eólica, puede transformarse en electricidad.
E (cinética) = 1 • m(aire) • v ²
2
(2.0)
› E (cinética): energía cinética del viento en [J].
› m(aire): Masa del aire en [Kg].
› V: velocidad del viento en [m/s].
De la ecuación anterior se puede definir la potencia del viento como:
P[w] = dE = 1 • dm • v ²
dt
2 dt
(2.1)
› P: potencia del viento en [W].
La potencia es definida respecto a la cantidad de aire (masa) que circula por un determinado
sector del espacio.
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También se tiene que la masa puede ser expresada como:
m[Kg] = ρ [ Kg/m³ ] · V [ m³ ]
(2.2)
› ρ : densidad del aire en [ Kg/ m³ ].
› V: volumen de aire [ m³ ].
Pero definir la variación de masa en el tiempo conlleva una variación del volumen de aire que
circula por el mismo sector:
dm = ρ · dV
dt
dt
(2.3)
F [m³/s] = dV
dt
(2.4)
A su vez el flujo esta definido como:
› F: flujo de aire [m³/s].
También es válida la siguiente igualdad:
F [m³/s] = A [m²] · v[m/s]
(2.5)
› A: sección ortogonal al vector de velocidad del aire en [m²].
Se puede definir la variación de volumen en el tiempo como:
dV = A [m²] • v[m/s]
dt
(2.6)
Se considera A con temperatura de 15° C y a presión normal la densidad es de 1,225[ Kg/ m³ ].
Sustituyendo la ecuación 2.6 en la ecuación 2.3 se obtiene:
dm = ρ • A [m²] • v[m/s]
dt
(2.7)
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Luego, sustituyendo 2.7 en 2.1. se obtiene la ecuación que define el comportamiento de la
potencia de una masa de aire (viento) que se desplaza con una cierta velocidad por unidad de
superficie:
P = 1 • ρ • A • v³
2
(2.8)
Se puede notar que los factores que definen esta potencia son:
› A : superficie [m²].
› ρ : densidad del aire [Kg/ m³] (varía con la temperatura, la altura y la humedad)
› v : velocidad del viento [m/s].
La ecuación 2.8 expresa la potencia en función del cubo de la velocidad del viento y proporcional
a la superficie de la sección. Se puede afirmar que la potencia sigue un comportamiento
cuadrático respecto al diámetro del aerogenerador si se considera la velocidad del viento como
constante.
Fig. 3.1. Potencia del viento.
El gráfico de la figura 3.1, muestra que si por ejemplo consideramos una velocidad del viento de
8[m/s] obtendríamos una potencia de 314[w] por cada metro cuadrado expuesto al viento (viento
incidiendo perpendicularmente al área barrida por el rotor). A 16[m/s] obtendremos una potencia
ocho veces mayor, esto es, 2509[w/m²]. En conclusión se obtiene que la potencia crece
proporcionalmente con el cubo de la velocidad y al cuadrado respecto al radio del aerogenerador
(superficie).
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3.1.2 La ley de Betz
La ley de Betz fue formulada por primera vez por el físico alemán Albert Betz en 1919. su libro
“Wind-Energie”, publicado en 1926, proporciona buena parte del conocimiento que en ese
momento se tenía sobre energía eólica y aerogeneradores. Betz, define la potencia captada por un
obstáculo que frena el libre movimiento del viento.
Fig. 3.2. Comportamiento del viento frente a un aerogenerador.
La potencia captada por el aerogenerador se define como la diferencia instantánea de la energía
cinética del viento antes y después de pasar por el obstáculo en un tiempo Δt.
P(captado) = E(cinética 1) – E(cinética 2) = 1 · Δm(aire) · (V1² - V2²)
Δt
2
Δt
(2.9)
También existe otra forma para definir la masa del aire que pasa por el aerogenerador, esto se
logra considerando el promedio de las velocidades antes y después del obstáculo:
Δm(aire) = ρ · A · (V1 + V2)
Δt
2
(2.10)
Así, sustituyendo la masa del aire con lo expresado en la ecuación 2.9:
P (captado) = 1 · ρ · A · (V1² - V2²) · (V1 + V2)
4
(2.11)
Luego de esto, se puede definir entonces: la razón entre la potencia captada sobre la potencia del
viento incidente definida por la ecuación 2.8 (donde v = V1) como:
P(captado) = 1 · [1 – (V2/V1)²] · [ 1 + (V2/V1)]
P(viento)
2
(2.12)
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Lo anterior permite definir una función P(captado)/P(viento) v/s una variable V2/V1 tal como se
muestra en la figura siguiente:
Fig. 3.3. Curva de eficiencia de Betz.
La curva obtenida en la figura 36, define un máximo en V2/V1 = 1/3 con una potencia máxima
captada de P(captada) = (16/27) · P(viento). Como resumen se define entonces la siguiente ecuación
(3.0), que se denomina Ley de Betz que representa la máxima cantidad de energía del viento que
se puede transformar en energía mecánica rotacional.
P(captado) = 0,59 · P(viento)
(3.0)
Esta ecuación representa un límite teórico ideal ya que no considera los siguientes factores reales
de operación:
› Resistencia aerodinámica de las palas.
› La compresibilidad del fluido.
› La interferencia de las palas.
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3.1.3 La distribución de Weibull
Si mide las velocidades de viento a lo largo de un año, observará que en la mayoría de áreas los
fuertes vendavales son raros, mientras que los vientos frescos y moderados son bastante comunes.
La variación del viento en un emplazamiento típico suele describirse utilizando la llamada
Distribución de Weibull, como se muestra en la siguiente figura:
Fig. 3.4. Distribución de viento de Weibull.
Este emplazamiento particular tiene una velocidad media del viento de 7 m/s y la forma de la
curva esta determinada por un parámetro de forma de 2. El área bajo la curva siempre vale
exactamente 1, la mitad del área azul esta a la izquierda de la línea negra vertical a 6,6 metros por
segundo. Los 6,6 m/s son la mediana de la distribución. Esto significa que la mitad del tiempo el
viento soplará a menos de 6,6 m/s y la otra mitad soplará a mas de 6.6 m/s. Por otro lado, las
velocidades del viento de 5,5 m/s son las más comunes. Los 5,5 m/s es el llamado valor modal de
la distribución.
La distribución estadística de las velocidades del viento varía de un lugar a otro del globo,
dependiendo de las condiciones climáticas locales, del paisaje y de su superficie. Por lo tanto, la
distribución de Weibull puede variar tanto en la forma, como en el valor medio.
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3.1.4 La Rugosidad
Es importante cuantificar el efecto de la morfología del territorio circundante al aerogenerador
sobre la velocidad del viento. Lo que se conoce como rugosidad.
La siguiente expresión (3.1), define la rugosidad, la cual se modifica dependiendo de los
obstáculos físicos presentes en el entorno que inciden sobre el desplazamiento del aire:
V(z) = V(ref) · [ Ln(z/zo) / Ln(zref/zo) ]
(3.1)
En donde:
› Z es la altura desde el suelo.
› V(ref) es la velocidad medida a una altura Z(ref).
› Zo es la longitud de la rugosidad (ver tabla 1.0).
TABLA 1.0 RUGOSIDAD
Rugosidad
Tipo de Paisaje
0
Superficie del Agua
0,5
Terreno completamente abierto con una superficie lisa
1
Agrícola abierta sin cercados ni setos y con edificios muy dispersos
1,5
Agrícola con algunas casas y setos (dist. 1250 [m])
2
Agrícola con algunas casa y setos (dist. 500 [m])
2,5
Agrícola con muchas casas, arbustos y planta (dist. 250 [m])
3
Pueblos, ciudades pequeñas, terreno agrícola
3,5
Ciudades más grandes con edificios altos
4
Ciudades muy grandes con edificios altos y rascacielos
TABLA 1.1 COEFICIENTES DE RUGOSIDAD
Clase de Rugosidad Longitud de rugosidad [m] Índice de energía (%)
0
0.0002
100
0,5
0.0024
73
1
0.03
52
1,5
0.055
45
2
0.1
39
2,5
0.2
31
3
0.4
24
3,5
0.8
18
4
1.6
13
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3.1.5 Emplazamiento
Los aerogeneradores deben ubicarse en zonas con un mínimo de obstáculos ya que estos pueden
disminuir la velocidad del viento de forma significativa y a menudo crean turbulencias en torno a
ellos. La zona de turbulencia puede extenderse hasta una altura alrededor de tres veces superior a
la altura del obstáculo.
Fig. 3.5. Emplazamiento.
También hay que tener en cuenta la orografía del terreno, deben situarse en zonas elevadas, si se
toma un paso estrecho entre dos montañas, la velocidad del viento crecerá considerablemente por
medio del efecto túnel. Se debe tener en cuenta la rugosidad del terreno ya que cuanto más
pronunciada sea, mayor será la ralentización que experimente el viento.
3.1.6 Función de densidad de potencia
Sabemos que la potencia varía proporcionalmente al cubo de la velocidad del viento y
proporcionalmente a la densidad del aire.
Se puede obtener una aproximación a la potencia producida por la turbina como se aprecia en el
siguiente gráfico de la figura 3.6.
Fig. 3.6. Potencia del viento.
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El área bajo la curva gris nos da la cantidad de potencia eólica por metro cuadrado de flujo del
viento que puede esperarse en este emplazamiento en particular. En este caso tenemos una
velocidad del viento media de 7 m/s y un Weibull k=2, por lo que tenemos 402 W/m². Observe
que esta potencia es casi el doble de la obtenida cuando el viento sopla constantemente a la
velocidad media.
El área bajo la curva azul indica que cantidad de potencia puede ser teóricamente convertida en
potencia mecánica ley de Betz.
El área total bajo la curva roja nos dice cual será la potencia eléctrica que un aerogenerador
producirá en dicho emplazamiento. Aproximadamente un 60%.
3.1.7 Escala de Beaufort
Una de las características del recurso eólico es su condición aleatoria y variable, por cuanto
depende de condiciones atmosféricas. Asimismo, los vientos potencialmente aprovechables para
la generación de electricidad se encuentran concentrados en zonas relativamente pequeñas o
sitios específicos, por lo que el primer paso para su aprovechamiento es la prospección (o
evaluación de las características del viento). Para ello, existen diferentes técnicas, que van desde
la referencia popular hasta el uso de imágenes de satélite. Sin embargo, no importa que tan
sofisticados sean los métodos de prospección; la evaluación de la factibilidad técnico-económica
de un proyecto eolo-eléctrico exige un conocimiento detallado del comportamiento del viento y
para ello, es imprescindible llevar a cabo mediciones anemométricas in situ.
Las estimaciones exactas de la velocidad del viento son críticas al momento de evaluar su
potencial aprovechable en cualquier localización. Los recursos eólicos son caracterizados por una
escala de clases de viento según su velocidad, que se extiende de la clase 1 (la más baja) a la 7 (la
más alta), llamada escala de Beaufort (ver tabla 1.2). Los desniveles dela superficie a través de la
cual sopla el viento antes de llegar a la turbina, determinan la cantidad de turbulencia que esta
experimentará.
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TABLA 1.2. ESCALA DE BEAUFORT
Escala de Beaufort Velocidad del viento (Km/h) Denominación del viento
Menos de 1
0
calma
1 a 5
1
ventolina
6 a 11
2
muy flojo
12
a
19
3
flojo
20 a 28
4
bonancible
29 a 38
5
fresquito
39 a 49
6
fresco
50 a 61
7
frescachón
62 a 74
8
duro
75 a 88
9
muy duro
89 a 102
10
temporal
103
a
117
11
borrasca
más de 117
12
huracán
3.1.8 Rendimiento de aerogeneradores
Teniendo en cuenta la ley de Betz, sabemos que no se puede convertir toda la energía del viento
en energía mecánica rotacional. El límite de Betz se ve disminuido por varios elementos que
conllevan distintas pérdidas en el proceso de conversión de energía.
Lo anterior lo podemos expresar de la siguiente forma:
Pmec = Cp · Pviento = Cp · 1 · ρ · A · v³
2
(3.2)
En donde Cp no puede superar el límite de Betz. Y adicionalmente:
Peléctrica = Ce · Pmec = Ce · Cp · Pviento = Ce · 1 · ρ · A · v³
2
(3.3)
Donde:
› Ce es la eficiencia (aproximadamente un 90%) de la máquina eléctrica.
› Cp no es constante y varía principalmente con la velocidad del viento.
Una manera más útil para determinar la eficiencia del aerogenerador es utilizando la relación de
velocidad tangencial o TSR¹. Es un término que sustituye al número de revoluciones por minuto
de la turbina; sirve para comparar el funcionamiento de máquinas eólicas diferentes, por lo que
también se le suele denominar velocidad específica.
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¹TSR ( Tip Speed Ratio)
Lo anterior se define como:
λ
=
raer · waer
vviento
(3.4)
En donde:
›
λ
› raer
= TSR
= Radio aerogenerador en [m].
› waer = Velocidad angular de la turbina en [rad/s].
› vviento = Velocidad del viento en [m/s].
Lo anterior se puede observar en la figura 3.7. En donde se puede apreciar los rendimientos de
distintos modelos de aerogeneradores.
Se tiene que los aerogeneradores de modelos Darreus y de tripala horizontal pueden alcanzar
velocidad rotacional muy elevada y esto hace que la variable wr se desligue de la velocidad del
viento e inclusive que la supere en su componente tangencial, logrando TSR > 1. Mientras que
para otros modelos como los aerogeneradores verticales sería difícil superarlos, porque no
lograrían una velocidad rotacional independiente y superior a la que impone el viento. Pero esto
no implica que se puedan lograr buenos Cp con bajos TSR.
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Fig. 3.7. Cp versus TSR.
La siguiente tabla muestra los distintos Cp para varios modelos de aerogeneradores.
TABLA. 1.3. CARACERÍSTICAS GENERALES DE DISTINTOS GENERADORES EÓLICOS
Tipo de Aerogenerador Velocidad de operación Torque Construcción
Cp
Eje Horizontal
de moderadas RPM
de altas RPM
moderada
alta
bajo
muy bajo
moderada
de precisión
0.2 - 0.35
0.3 - 0.45
Eje Vertical
Savonius
Darreus
de moderadas RPM
moderada
moderada
moderada
medio
muy bajo
muy bajo
moderada
de precisión
de precisión
0.15
0.25 - 0.35
0.2 - 0.35
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CAPITULO IV
PROTOTIPO “ GENERADOR EÓLICO
DE EJE VERTICAL”.
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4.1. Prototipo aerogenerador de eje Vertical
4.1.1 Antecedentes
En la actualidad se desarrollan modelos de aerogeneradores verticales que mejoran ampliamente
la eficiencia de los generadores de eje horizontal, abarcando rangos de velocidades de viento
hasta ahora no aprovechados.
El modelo escogido, esta dentro de la categoría de aerogeneradores verticales. Corresponde a un
modelo Darreus-Savonius, que se puede apreciar en la figura. 4.1.
Fig. 4.1. Aerogenerador Vertical “Darrieus-Savonius”.
Este modelo permite abarcar mayores velocidades de viento, teniendo el inconveniente de que
necesita un motor de arranque para su partida, para lo cual serán necesarios los dos Savonius
acoplados a la estructura. Mediante la implementación de este modelo se pretende dar solución a
nuestro problema y que se detalla mas adelante.
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4.1.2 ¿Por qué Aerogenerador Vertical?
El sistema de giro de eje vertical permite aprovechar la fuerza directa del viento, mientras que un
sistema de eje horizontal ha de aprovechar la resultante de giro del viento, y su diseño ha de ser
un compromiso entre ofrecer la máxima resistencia al viento y presentar una estructura resistente
a la fuerza de empuje. Los dos Savonius acoplados a la estructura permiten que el rotor Darreus
pueda empezar a girar a velocidades del viento muy bajas mientras que también puede soportar
velocidades muy altas en comparación a otros modelos de aerogeneradores verticales. Logrando
así, abarcar mayores rangos de velocidades del viento.
4.1.3 El Prototipo
Este sistema no requiere del uso de un mecanismo de orientación y puede aprovechar la fuerza
directa del viento cualquiera fuese su dirección, con esta característica se obtiene un costo menor
en la implementación. También este modelo no necesita torre de sustentación, como todos los
diseños de generadores de eje vertical presenta la ventaja de poder prescindir de una torre de
sustentación, sin el inconveniente de que se le pueda acoplar cuando sea necesario.
Con este diseño, los restantes componentes del generador, como la caja multiplicadora, el
generador eléctrico, frenos, sistemas hidráulicos, sistemas electrónicos, etc., pueden situarse a
nivel del suelo, lo que facilita enormemente su instalación y mantenimiento. Además el peso de
los materiales es un factor a favor del generador eólico pues aumenta el momento angular del
sistema facilitando el giro.
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Fig. 4.2. Prototipo Aerogenerador Darreus-Savonius Implementado.
En nuestro sistema se pueden apreciar el rotor, los tres alerones, los dos Savonius y la estructura
que soporta al prototipo.
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4.1.4 Esquema General Eléctrico
Fig. 4.3. Esquema General Eléctrico del Prototipo.
En la figura anterior se pueden apreciar los distintos componentes que caracterizan al
aerogenerador, en conjunto permiten realizar la conversión de la energía eólica en energía
eléctrica.
Se pueden apreciar:
› El rotor
› El Alternador
› Circuito de carga de Batería
› La Batería.
› El regulador de voltaje del Alternador.
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4.1.5 El Rotor
El rotor esta acoplado al eje vertical y gira con el. Está conformado por una base sólida, con
rodamientos capaz de soportar el peso de la estructura giratoria, recordemos que el peso facilita el
torque mejorando el momentun angular del sistema. El rotor del prototipo se puede apreciar en la
siguiente figura:
Fig. 4.4. Rotor del Prototipo.
A diferencia de otros tipos de aerogeneradores verticales este rotor tiene la posibilidad de ser
sostenido en ambas extremidades lo que permite una mayor estabilidad y mediante eso una
mayor velocidad de giro.
El número de álabes es escogido en base al concepto de estabilidad rotacional aplicado a los
aerogeneradores de eje horizontal, si bien se conoce que la configuración de tres álabes para un
aerogenerador horizontal es la más óptima, para los aerogeneradores de eje vertical también una
configuración con tres álabes es la de mejor rendimiento.
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4.1.6 Los Álabes
Los álabes conforman los alerones de nuestro prototipo como se aprecia en la
figura 45. Son los responsables de lograr la diferencia de coeficiente de arrastre entre las tres
secciones que se enfrentan al viento unidos con los extremos del rotor formando una
semicircunferencia. Su composición es principalmente de metal ligero para lograr una mayor
captación el viento y así, una mejor eficiencia en el giro.
Se asume por supuesto que estos álabes pueden ser optimizados de modo de que cumplan un
desempeño mejor.
Fig. 4.5. Los Álabes.
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4.1.7 El Alternador
El alternador, es un aparato que se ocupa para transformar energía mecánica en eléctrica, el
nombre viene de la corriente alterna generada por esta transformación. Al mismo tiempo que
realiza este proceso de energía, se preocupa de almacenarla en la batería. El alternador realiza el
proceso de transformación de energía a partir de ciertos fenómenos de inducción, a través de una
corriente alterna. Para cumplir con esta función, el alternador posee dos partes, un Inductor, que
crea un campo magnético, y un Inducido. Este último es el conductor a través del cual atraviesan
las líneas de fuerza del campo magnético producido por el inductor.
Diagrama Eléctrico del Alternador
Fig. 4.6. Esquema general del alternador.
En la imagen anterior, el inductor se representa por la parte del rotor, mientras que el
inducido la parte del estator. Este alternador corresponde a un modelo de generador trifásico, la
salida generada en el estator se rectifica mediante un puente de diodos de forma de poder cargar
la batería con voltaje continuo.
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Para llevar a cabo el proceso de carga de batería, en nuestro caso una batería de automóvil de 35
A y 12(V), se necesita de un circuito como el de la siguiente figura 47.
Fig. 4.7. Circuito cargador de Batería.
Fig. 4.8. Circuito Regulador de voltaje.
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Para la realización del prototipo se emplea un alternador de automóvil, que tiene las
especificaciones necesarias para la conversión de energía mecánica en energía eléctrica, este tipo
de alternador seria como el de la siguiente figura 4.9.
Fig. 4.9. Alternador.
Modelo
Voltaje nominal [V]
Corriente máxima [A]
Potencia máxima [P]
Tipo de Rectificación
Wind Blue
12
50 Ah
600
Puente de diodos
El alternador dependiendo del tipo puede o no llevar incluido el regulador de carga lo que
permite directamente llevar a cabo el proceso de carga de la batería, lo mismo sucede con el
regulador de voltaje.
El regulador de carga generalmente lo compone un puente rectificador, este está formado por
diodos cuya misión es convertir la tensión alterna trifásica generada por el estator en tensión
continua.
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El regulador de voltaje en cambio se encarga de que la tensión generada por el estator, no este por
debajo ni por encima de unos límites en todo el rango de revoluciones del rotor, para ello el
regulador tiene una conexión en la salida positiva del alternador y en función de que esta sea alta
o baja aplica una tensión al rotor menor o mayor respectivamente, de modo que este genera un
campo magnético proporcional a la tensión y a su vez induce mayor o menor magnetismo sobre
el estator, y este baja o sube la tensión de salida con lo que se regula a sus niveles. Existen varios
tipos de reguladores, desde los mecánicos basados en relés que son externos al alternador, a los
modernos transistorizados que van incorporados en el interior del alternador formando un bloque
con las escobillas.
Una forma de definir el voltaje generado, se puede representar por el siguiente modelo fasorial
del generador:
Fig. 4.10. Modelo Fasorial del Generador.
En donde se puede obtener la siguiente expresión:
E = M * w * Ir
(4.0)
En donde:
M: depende del número de vueltas del embobinado del rotor y de la eficiencia en canalizar las
líneas de campo magnético al interior de los enrollados del estator. Dependiendo también de la
forma del núcleo y del entre hierro.
El voltaje generado mediante el circuito cargador de batería, se puede expresar mediante la
relación de amplitud de la señal alterna, y del nivel del voltaje continuo obtenido como:
Vcc = Vm * sin(π/6)
π/6
(4.1)
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4.1.8 La caja amplificadora
En nuestro prototipo no optamos por la implementación de una caja amplificadora, debido al
aspecto económico y de pérdidas por roce, sin el inconveniente de que se le pueda acoplar; pero
si logramos una amplificación de la velocidad de rotación del alternador superior a la del eje de
rotación en razón de 1:3 y de 1:6.
Fig. 4.11. Alimentación del alternador.
Mas adelante, en las pruebas del prototipo se comprobará que para la velocidad de rotación de
aplicación se puede prescindir de la caja amplificadora.
Ahora para que el prototipo tenga un mejor rendimiento, se utilizó en la base del rotor una polea
de diámetro mayor de modo de obtener una relación de vueltas mayor. Por ejemplo, con un
diámetro de polea de 48 cm, se obtuvo una relación de vueltas rotor y alternador de 1:6
respectivamente.
Fig. 4.12. Relación de vueltas, para polea de 48 cm de diámetro.
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4.1.9 La Batería
La Batería es un acumulador de energía, esta acumulación de energía se realiza por medio de un
proceso químico entre dos placas de plomo y un líquido llamado electrolito formado por agua y
ácido sulfúrico. La reacción química que se produce en la batería genera energía eléctrica y
además es reversible. Alimentando a la batería con una determinada tensión se consigue
recombinar los elementos químicos para generar la carga de la batería. Todo este proceso de
carga y descarga origina un desgaste de las placas internas, desgaste que se acelera si el nivel del
electrolito desciende por debajo del mínimo, si se utiliza con poca carga o se realizan procesos de
carga muy rápidos.
La batería utilizada para este proyecto corresponde al modelo de la figura 4.13. cuyas
especificaciones se indican a continuación:
Fig. 4.13. La Batería.
Marca
Voltaje nominal [V]
Corriente máxima [A]
Potencia Máxima
Panasonic
12(v)
50(A)
600(W)
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4.1.10 El Inversor
Se utilizó un inversor de 220(v), 400(w), ver figura 4.14. Este dispositivo nos permite amplificar
el voltaje de consumo, en este caso de 12(v) a 220(v). Para utilizar dispositivos que requieran
voltajes mayores a los que suministra la batería, por ejemplo, para los dispositivos de uso en un
domicilio.
Fig. 4.14. El inversor.
Modelo
Voltaje nominal [V]
Frecuencia
Corriente máxima [A]
Potencia máxima [W]
Potencia máxima [W]
Power Bright
12(v) a 220(v)
50 Hz
40(A)
400 continuo
800 Peak
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4.1.11 Plataforma de Sustentación
En nuestro prototipo se utilizó un soporte tal como se aprecia en la figura. 4.15. La altura es de 50
cm. Y por debajo de ella se puede acoplar otra torre para lograr una mayor altura. La estructura
esta hecha de fierros llamados ángulos lo que permite sostener el prototipo. El alternador se
puede deslizar de modo que se quiera disponer de una caja amplificadora. Además los otros
componentes como la batería y el inversor pueden ubicarse al pie de la estructura.
Fig. 4.15. Soporte del Prototipo.
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CAPITULO V
PRUEBAS Y EVALUACIÓN ECONÓMICA.
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5.1 Macro localización
Fig. 5.1. Macrolocalización.
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5.2 Micro localización
5.2. Microlocalización.
El prototipo tiene aplicación final en el pueblo de Huiro distante 35 Km, desde la comuna de
Corral. Sector escogido para cumplir el objetivo de generar energía eléctrica por medio de
nuestro generador eólico. Además, este prototipo puede extender su aplicación mas hacia el sur
en el sector de Punta Falsa distante unos 10 Km, en donde no se tiene acceso a la energía
eléctrica para los pocos pobladores del lugar.
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5.3 Mediciones de velocidad del viento en el sector de Huiro
Huiro
Sector perteneciente a la comuna de Corral, distante 35 Km Aprox. En esta localidad hay
un total de 45 casas aprox, Separadas una de otra con distancias que van desde los 100 metros
hasta mas de un Kilómetro. Las familias que componen el sector de Huiro viven principalmente
de la ganadería y la pesca. Del total de las casas comprobamos en terreno que unas 40 casas
poseen energía eléctrica, mientras que el resto espera poder llegar a tener este servicio.
La complicación que tienen estas casas para obtener la energía eléctrica es principalmente la
distancia que tienen
de la línea principal, en la que las distancias llegan a ser de hasta
aproximadamente de 1 Km, por lo extenso de sus terrenos.
Dentro de las opciones para solucionar este problema, esta el uso del generador eléctrico, el panel
solar y el generador eólico.
El uso de generador eléctrico implica la compra de este y de combustible, en la que
según las familias de tener este sistema lo usarían dos o tres horas por día, y sólo para
iluminación. El combustible ya sería de difícil acceso porque tendrían que obtenerlo en Corral.
El panel solar es desconocido por las familias, pero estarían dispuestos a obtener este sistema ya
que se ahorra el uso de combustible.
El generador eólico cobra mayor fuerza por el poder de la velocidad de viento en la zona. Lo
atractivo y novedoso de este sistema atrae la curiosidad de las familias. El terreno y la velocidad
de viento hacen de este sistema una buena opción.
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Velocidades de viento en Huiro
Las tablas anexadas a este trabajo muestran las velocidades de viento en el sector costero de
Huiro para los distintos puntos escogidos. La siguiente tabla muestra un resumen general para el
periodo comprendido entre el 20 septiembre al 20 octubre 2009.
TABLA 1.4. RESUMEN VELOCIDAD DE VIENTO
Semana
Mes
Velocidad Promedio (Nudos)
20 al 26 Septiembre
10
27 al 03 Sept - Oct
13.4
04 al 10 Octubre
23.7
11 al 17 Octubre
12
18 al 20 Octubre
19.8
5.4 Pruebas del Prototipo
5.4.1 Rotor en Vacío
Al realizar las pruebas en vacío encontramos que nuestro prototipo vacila entre
los 3 - 4,5 m/s, esto quiere decir, hace el esfuerzo por girar, pero lentamente. Ahora cuando la
velocidad del viento esta por sobre los 5 m/s, esto es 10 Nudos, este comienza lentamente a girar.
Para otros modelos Darreus-Savonius la velocidad de viento para comenzar a girar es mas baja,
alrededor de los 2 o 3 m/s. El rotor en su base apernado y el enganche en la parte superior
mediante tres vientos proporciona una firmeza que minimiza que el sistema oscile. Pero al
realizar las pruebas notamos que el sistema al girar presenta un oscilamiento pequeño que se debe
a una desalineación. En cuanto al ruido se pudo apreciar en las pruebas que es mínimo.
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La siguiente figura muestra como varía el giro del prototipo a distintas velocidades de viento.
Figura 5.3. Ensayo en Vacío del Rotor.
5.4.2 Rotor con Alternador
Al conectar el rotor del aerogenerador con el alternador, se obtiene el siguiente gráfico de la
figura 5.3.
Figura 5.4. Ensayo del Rotor con Alternador.
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Resumiendo los gráficos anteriores notamos que para el caso del rotor en vacío, Figura 5.3, se
mantiene una estabilidad del giro centrándose en los 22 Nudos. Cuando las velocidades de viento
superan aproximadamente los 33 Nudos, es decir, alrededor de 60 km/h se obtiene una
inestabilidad del sistema debido principalmente al fenómeno del viento conocido como rachas de
viento, que en el extremo superior pueden superar los 80 km/h. Estas rachas provocan un
aumento de la oscilación del aerogenerador y con ello una disminución brusca de velocidad.
El grafico de la figura 5.4, nos muestra como disminuye la velocidad de giro del rotor cuando
esta conectado en su extremo el alternador, la relación de vueltas del rotor y el alternador están en
razón de 1:3. Esta relación de vueltas puede incrementarse incorporando en la estructura una caja
amplificadora de revoluciones. Al inicio el comienzo del giro aumenta en forma exponencial,
mientras que en el extremo superior presenta mayor oscilación y ruido sobre los 30 Nudos que
para el caso del ensayo en vacío. Esto se debe principalmente a lo frágil de la estructura. Lo
rescatable y principalmente provechoso es la estabilidad que presenta entre los 12 y 30 Nudos.
Ahora cuando usamos una relación de vueltas para el rotor de 1:6, acoplando una polea más
grande se tiene:
Fig. 5.5. Polea con relación de vueltas 1:6.
Gráficamente se puede apreciar que se aumenta al doble la cantidad de vueltas del alternador
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5.4.3 Curva del alternador
Curva del alternador del Prototipo
La curva del alternador de automóvil esta dada por la potencia obtenida en relación a sus
revoluciones por minuto (RPM). Para un alternador típico de automóvil modelo suzuki 1980, la
curva de potencia sería aproximadamente la siguiente:
Fig. 5.6. Curva de potencia alternador de automóvil.
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5.4.4 Curva del alternador Air-X de 400 Watts
Este modelo corresponde a un aerogenerador horizontal, que forma parte de los modelos más
competitivos tratándose de generación de energía de baja potencia, las características
constructivas se muestran en la siguiente figura:
Fig. 5.7. Air-X de 400 Watts.
El siguiente gráfico nos muestra como es la curva de potencia de este aerogenerador. Este
modelo posee una potencia nominal de 400 Watts, a una velocidad de viento de 28 Nudos, es
decir, a unos 12,5 m/s aprox.
Fig. 5.8. Curva de Potencia Air-X de 400 W.
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5.4.5 Curva de Potencia y de eficiencia energética
Se tiene que para nuestro prototipo la potencia total entregada por un aerogenerador, esta dada
por la ecuación 2.8 del capitulo III:
P = 1 • ρ • A • v³
2
Considerando que el diámetro del prototipo es de 1,3 metros. Se tiene:
P = 0,74 * v³ [W]
Según el limite de Betz la máxima potencia aprovechable corresponde al 59%, ecuación 3.0 del
capitulo III, por lo tanto se tiene:
P = 0,44 * v³ [W]
Ahora, la potencia final eléctrica entregada por el aerogenerador correspondería a un 60%, por lo
que la energía final entregada por el aerogenerador sería:
P = 0,26 * v³ [W]
La siguiente tabla, muestra los distintos valores de potencia para diferentes velocidades de viento:
TABLA 1.5. POTENCIA ENTREGADA POR EL PROTOTIPO
Velocidad del Viento (m/s)
5
10
15
20
25
Potencia [w]
32,5
260
877,5
2080
4062,5
Estos valores de potencia para distintas velocidades de viento corresponden a valores teóricos. En
la práctica la generación de potencia esta relacionada directamente por las revoluciones que
pueden obtenerse mediante las pruebas del prototipo.
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El alternador de automóvil utilizado para este prototipo corresponde a un modelo que utilizaban
los furgones suzuki del año ochenta, es decir es un modelo que no se encuentra ya en el mercado
y solo es posible acceder a uno usado en desarmadurias o talleres. Este modelo necesita de un
mínimo de vueltas para poder suministrar potencia eléctrica, este valor estaría por sobre las 70
Vueltas o RPM.
Por lo tanto, siguiendo con el gráfico de la Figura. 5.6. se tiene:
Fig. 5.9. Potencia suministrada por el prototipo.
La parte lineal del alternador por debajo de los 400 RPM, nos permite obtener esta aproximación
más real al comportamiento del prototipo generador eólico Darrieus-Savonius. Esta linealidad
puede aproximarse entre los 100 y 400 RPM, obteniéndose una potencia de 22 y 80 [W]
respectivamente.
Además, se puede apreciar una inestabilidad entre las 50 y 100 RPM que es cuando comienza a
generar potencia el alternador.
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Trabajo de Titulación
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Se puede obtener también el gráfico de eficiencia de Betz como el que representa la siguiente
figura:
Fig. 5.10. Eficiencia del Prototipo.
Como se puede apreciar en la figura del gráfico anterior podemos notar claramente que la curva
de eficiencia, no es lo suficientemente regular como debiera ser normalmente, esto se debe
principalmente a que nuestro prototipo no aumenta sus revoluciones considerablemente conforme
aumenta la velocidad del viento.ver gráfico de la figura 5.5. El prototipo mantiene un rango de
trabajo que va entre las 80 y 140 RPM, que para otros sistemas es diferente, puesto que este
rango es más amplio.
El gráfico de eficiencia nos muestra claramente las falencias que presenta el sistema en cuanto a
su estructura ya que la construcción del prototipo se llevo a cabo con la totalidad de elementos
caseros, no diseñados especialmente para cumplir un desempeño como parte de un
aerogenerador.
La ventaja más considerable que presenta, dicho lo anterior, tiene que ver con el alto torque que
presenta en su giro lo que facilita el uso de una caja amplificadora de revoluciones permitiendo
un mayor rendimiento, pero manteniendo una baja eficiencia.
Si se lograra mejorar la eficiencia rediseñando la mayoría de sus partes, se obtendría un mejor
desempeño lo que haría que fuese más competitivo con otros modelos de aerogeneradores
verticales.
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A pesar de todo lo anterior la velocidad de rotación lograda, puede cumplir los objetivos
propuestos, la velocidad promedio de viento del prototipo a 129 RPM, es de aproximadamente 20
Nudos, unos 10 m/s. Lo que produce como energía una potencia de 28 [W]. Si el sistema
trabajara en el nivel superior a 140 RPM, la velocidad de viento sería de 30 Nudos, unos 15 m/s,
lo que produciría una potencia cercana a los 30 [W].
Resumiendo lo anterior, se puede concluir que nuestro prototipo de aerogenerador puede sólo
cargar baterías.
Ahora, si se lograra superar las revoluciones mediante una caja amplificadora, se puede trabajar
sobre las 140 RPM, obteniéndose potencias sobre los 30 [W], con lo que se obtiene un mejor
rendimiento.
5.5 Evaluación Económica
Costos de los materiales
En la tabla 5.1, se muestran los costos generales para la implementación de nuestro
prototipo de aerogenerador vertical Darreus-Savonius.
TABLA 1.6 COSTOS GENERALES
Parte
Costo ($)
Plataforma
30.000
Eje de giro
20.000
Alerones
18.000
Savonius
12.000
Eléctrica
90.000
Otros
40.000
TOTAL
210.000
Los detalles de lo anterior se presentan en el apéndice A.
La mayoría de los componentes utilizados se obtuvieron a un precio menor al que ofrece el
mercado con el objetivo de abaratar los costos totales.
Los apoyos de instituciones fueron de una gran importancia para concretar este trabajo, entre
ellas destacaron:
› La Universidad Austral de Chile, Escuela de Ingeniería Civil Electrónica.
› Servicios Portuarios Reloncaví Ltda..
› Ilustre Municipalidad de Corral.
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Además, no se puede dejar de mencionar a particulares que fueron importantes a lo largo del
desarrollo de este prototipo, como lo son los dos soldadores Don Pedro y Don Luis.
Es de importancia decir, que la parte mecánica como la plataforma, eje de giro,
Savonius, Alabes, etc. Puede ser rediseñada de modo que las partes puedan cumplir un
desempeño mejor, ya que como se mencionó en la sección de pruebas este prototipo presenta un
roce inicial alto lo que implica que empiece a girar a una mayor velocidad de viento.
Respecto del eje de giro, es de vital importancia que sea rediseñado para soportar el peso de los
componentes y las rachas de viento fuertes que se presentan en la zona de aplicación, si bien este
prototipo posee un giro rápido a altas velocidades de viento y soporta el peso de los componentes
no se asegura una duración a largo plazo.
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CAPITULO VI
CONCLUSIONES Y ETAPA FINAL
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6.1 Conclusiones
Sobre la estructura del prototipo se puede decir, que el diseño y construcción se efectuó
basándose en principios básicos y generales, las dimensiones fueron adecuadas para conseguir la
máxima potencia, mientras que los materiales utilizados no fueron diseñados para formar parte de
un aerogenerador.
Una optimización de la estructura puede traducirse en una disminución de oscilamiento y roce
como también en un aumento de la eficiencia y rendimiento.
Los álabes fueron construidos de forma de minimizar el roce con el aire ofreciendo una mayor
velocidad de giro, pueden ser rediseñados con materiales adecuados de manera de disminuir las
oscilaciones y aumentar de esta forma su estabilidad.
El rotor presenta una pequeña desalineación lo que se traduce en oscilaciones a altas velocidades
de viento, que impiden realizar un giro más estable. A pesar de ello la velocidad del viento en la
localidad de aplicación, permite que el prototipo gire a altas RPM.
Sobre la amplificación de vueltas se puede concluir, que con el uso de la correa se tiene un alto
torque que disminuye las revoluciones del rotor del prototipo, además, como es una correa nueva
ofrece una alta resistencia al giro.
La amplificación lograda fue de 1:6, y esta interfaz agrega perdidas al sistema lo que implica
tener un menor rendimiento.
La transformación de energía esta directamente relacionado con la velocidad rotacional del
prototipo, en nuestro caso una velocidad de 140 RPM para el alternador sigue siendo muy baja,
ya que la velocidad de operación del alternador esta por sobre las 1200 RPM. La amplificación
lograda es levemente considerable, pero de todas formas implica incorporar al prototipo una caja
amplificadora de revoluciones, aunque la solución ideal es prescindir de esta.
El alternador utilizado presenta una baja eficiencia, lo ideal sería utilizar un alternador de imanes
permanentes y de mejor calidad. Si bien esto se traduce en un costo mayor, lograría aumentar el
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rendimiento del prototipo ya que no se utilizaría una caja amplificadora de revoluciones y se
aprovecharía el torque directo del rotor.
Los resultados conseguidos
En la localidad de Huiro predominan los vientos fuertes, lo que facilita el uso de aerogeneradores
de todo tipo. En las demás zonas aisladas surge como una buena opción utilizar algún tipo de
aerogenerador para solucionar el abastecimiento energético para varias familias pertenecientes a
sectores mas al sur.
En el caso de Cadillal que en su totalidad no posee energía eléctrica, surge mas la alternativa de
utilizar paneles solares como también pequeños hidráulicos para solucionar ese problema. La
vegetación impide el uso de algún tipo de generador eólico.
Nuestro prototipo realizado es un cargador de baterías y solo puede ofrecer energía en periodos
cortos de tiempo, si este sistema se rediseñara solucionando lo mencionado anteriormente, puede
conseguirse fácilmente que genere energía las 24 hrs. Que sería lo ideal.
En un trabajo futuro es fundamental desarrollar un sistema que cuente con un alternador de
imanes permanentes de múltiples polos, así, eliminar con ello la complejidad del uso de una caja
amplificadora y lograr una mayor eficiencia. Además, mejorar la mecánica estructural del
prototipo, campo complejo cuya optimización la puede llevar a cabo un estudiante de ingeniería
mecánica.
La experiencia realizada contribuyó a mejorar los conocimientos de la energía eólica, y más aún
implementando un sistema para aplicarlo a un bien social. Queda la tarea de que en nuestro país
logremos masificar estos sistemas, aprovechando la extensa costa llena de recurso eólico de
modo de lograr una independencia energética a futuro.
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6.2 Bibliografía
Revistas
[1] Abel Maestre Gaya. “Energía Eólica”, Aerogeneradores.
[2] Ayestarán Alejandro, Bodoira Jorge, Zimmerman Nicolás. “Diseño y Ensayo de un
Microgenerador”.
[3] Aedo María Paz, Larraín Sara, ED. “Proyecto de ley para la promoción de las energías
renovables en Chile”. Programa Chile sustentable.
[4] Antesana Núñez Juan. “Diseño y Construcción de un Prototipo de Generador Eólico de eje
Vertical”. Tesis. 2004.
[5] Mariano A Rosato. “Diseño de Máquinas Eólicas de Pequeña Potencia”. Ed.Progensa.
España.1991.
[6] Lucas Muñoz. “Estado del Arte en Generadores Eléctricos Utilizados en Turbinas Eólicas”.
[7] Villarrubia M. “Energía Eólica”. Ediciones CEAC.
[8] European Wind Energy Association (EWEA). Viento Fuerza 12. Mayo 2004.
Sitios Web
[9]
Aerogenerador Savonius.
www.amics21.com
[10] Aerogeneradores AIR-X
www.sumsol.es
[11] Diseño Estructural de un Aerogenerador.
www.idom.es
[12] Energía Eólica.
www.windpower.org
[13] Energías Renovables.
www.energias-renovables.com
[14] La electrificación rural en Chile y el rol de las
Energías Renovables.
www.renovables~rural.cl
[15] Sistemas eólicos pequeños para generación
de electricidad.
www.windpoweringamerica.gov
[16] Turbinas Eólicas Darrieus.
www.windturbine-analysis.com
[17] Tipos de Aerogeneradores.
http://libros.redsauce.net/
____________________________________________________________________________________
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Apéndice A
Detalle de los costos de Implementación
TABLA 6.0
Parte
Latas
Molduras
Hincha Envolver
Pintura
Alambre
Pernos, Tuercas, Golillas
Otros
COSTOS ÁLABES
Medidas
Cantidad
200*30 cm
6
3
3
1
1
12
TOTAL
18.000
TABLA 6.1
Parte
Tarros Plásticos
Alambres
Tapas Plásticas
Aros Bicicleta
Rueda Bicicleta
Pintura
Otros
Costo ($)
11.000
750
1.200
2.100
1.000
200
1.750
COSTOS SAVONIUS
Medidas
Cantidad
2
1
2
Aro 26
2
Aro 26
1
1
TOTAL
12.000
TABLA 6.2 COSTOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
Parte
Medidas
Cantidad
Alternador
1
Correa Alternador
1
Batería
1
Inversor
1
Conector Batería-Alternador
1
Alambre
1
Conector Batería-Inversor
1
Otros
TOTAL
Costo ($)
3.000
1.000
1.350
1.000
3.000
1.700
950
Costo ($)
20.400
3.200
22.500
23.000
3.500
1.500
2.750
13.150
90.000
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Apéndice B
Velocidad de Viento en Huiro (Septiembre).
TABLA C1: VELOCIDAD VIENTO EN HUIRO
Día
Mes
Velocidad Viento (Nudos) Rachas (Nudos)
Domingo 13 Septiembre
20 a 35
40
Lunes 14 Septiembre
3a6
Martes 15 Septiembre
4a6
Miércoles 16 Septiembre
4a5
Jueves 17 Septiembre
15 a 20
Viernes 18 Septiembre
3a6
Sábado 19 Septiembre
4a6
Domingo 20 Septiembre
3a6
Lunes 21 Septiembre
4a6
Martes 22 Septiembre
3a6
Miércoles 23 Septiembre
3a4
Jueves 24 Septiembre
4a6
Viernes 25 Septiembre
5a7
Sábado 26 Septiembre
4a6
Domingo 27 Septiembre
4a6
Lunes 28 Septiembre
5a8
Martes 29 Septiembre
4a7
Miércoles 30 Septiembre
4a7
Clima
Mal Tiempo
Parcial
Parcial
Nublado
Mal Tiempo
Nublado
Mal Tiempo
Nublado
Nublado
Parcial-Nublado
Poca Nubosidad
Poca Nubosidad
Poca Nubosidad
Despejado
Despejado
Despejado
Despejado
Despejado
____________________________________________________________________________________
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Velocidad de Viento en Huiro (Octubre).
TABLA C2: VELOCIDAD VIENTO EN HUIRO
Día
Jueves
Viernes
Sábado
Domingo
Lunes
Martes
Miércoles
Jueves
Viernes
Sábado
Domingo
Lunes
Martes
Miércoles
Jueves
Viernes
Sábado
Domingo
Lunes
Martes
Miércoles
Jueves
Viernes
Sábado
Domingo
Lunes
Martes
Miércoles
Jueves
Viernes
Sábado
Mes
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Octubre
Velocidad Viento (Nudos)
9 a 15
12 a 18
6 a 13
20 a 40
6 a 12
8 a 14
9 a 15
12 a 20
21 a 30
12 a 18
11 a 19
11 a 17
8 a 13
7 a 15
6 a 17
6 a 12
7 a 14
8 a 15
7 a 15
8 a 12
30 a 40
25 a 30
10 a 15
8 a 15
6 a 13
30 a 40
20 a 30
10 a 15
7 a 21
8 a 14
7 a 13
Rachas
60
35
60
40 a 50
20
18 a 22
60 a 70
35 a 40
Clima
Mal Tiempo
Nublado
Nublado
Temporal
Despejado
Despejado
Despejado
Mal Tiempo
Temporal
Mal Tiempo
Nublado
Mal Tiempo
Nublado
Poca nubosidad
Poca nubosidad
Despejado
Despejado
Nublado
Nublado
Poca Nubosidad
Temporal
Temporal
Mal Tiempo
Mal Tiempo
Nublado
Temporal
Temporal
Mal Tiempo
Mal Tiempo
Mal Tiempo
Nublado
____________________________________________________________________________________
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Velocidad de Viento en Huiro (Noviembre).
TABLA C1: VELOCIDAD VIENTO EN HUIRO
Día
Domingo
Lunes
Martes
Miércoles
Jueves
Viernes
Sábado
Domingo
Lunes
Martes
Miércoles
Jueves
Mes
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Noviembre
Noviembre
Noviembre
Noviembre
Noviembre
Noviembre
Noviembre
Noviembre
Noviembre
Noviembre
Noviembre
Noviembre
Velocidad Viento (Nudos)
9 a 14
7 a 13
10 a 15
11 a 13
8 a 14
9 a 12
8 a 14
6 a 12
7 a 13
7 a 13
6 a 15
5 a 16
Rachas (Nudos)
20 a 25
Clima
Nublado
Nublado
Mal tiempo
Mal tiempo
Mal tiempo
Mal tiempo
Nublado
Mal tiempo
Lluvia
Lluvia
Nublado
nublado
____________________________________________________________________________________
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Apéndice C
Medidas del Prototipo
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Apéndice D
Leyes Aplicadas a las ERNC
Antecedentes
En Chile la energía eólica es la que muestra mejores posibilidades de convertirse en opción real
para el abastecimiento eléctrico. El potencial del viento es conocido y usado en forma cada vez
más intensa a nivel mundial. Tanto así que en el planeta la capacidad instalada para generar
energía a partir del movimiento de las aspas de un molino supera los 78.000 (MW), cifra que
representa 8 veces la capacidad instalada para producir energía eléctrica en todo el país.
El alza de los precios de los combustibles fósiles, particularmente con el precio del petróleo por
sobre los 70 dólares por barril, y los incentivos por reducir las emisiones de gases de efecto
invernadero, han motivado que Europa, que concentra el 65% de la generación eólica en el
mundo, mantenga el interés por el viento como fuente de energía.
Hoy, la energía eólica genera el 0,6% de la producción eléctrica global. Para el 2014 se espera
que esta cifra se incremente hasta un 2.4% de la producción mundial. Números que dan cuenta
que la generación de energía a partir de fuentes renovables y limpias pasó de ser un buen deseo a
una necesidad.
Chile aunque a muy pequeña escala, no ha escapado a esta tendencia. No obstante hoy se
encuentra en operaciones importantes centrales eólicas como lo son, desde el 2001, la central
Alto Baguales en la XI Región, de 2 MW de potencia nominal. Desde diciembre del 2007, el
parque eólico Canela en la IV Región, de 18,15 MW. Mejores precios de la energía, reducción de
los valores de los equipos, los subsidios para el desarrollo de los estudios de preinversión y la
opción efectiva de comercializar la producción a través de los principales sistemas eléctricos, son
algunos de los elementos que permiten que hoy se encuentren en diferentes etapas mas de 30
proyectos de centrales eólicas.
Alemania, el líder del viento
Tanto en el uso como en la producción de energía eólica, Alemania es el país líder en el mundo
con una capacidad de generación de mas de 22.000 MW. Un 5% de la electricidad se genera en
ese país mediante molinos de viento, más que en ningún otro lugar.
Pero Alemania no sólo aprovecha el viento para producir energía, sino que además se ha
convertido en exportador de equipos y tecnologías, ostentando el 50% de este mercado en el
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mundo. Un buen negocio que permitió que en el 2006 sus exportaciones aumentaran de 1.800 a
3.000 millones de euros. Para la ingeniería alemana son cada vez más interesantes mercados no
tradicionales, como China e India.
Costo de la Energía
El costo de la unidad de energía (Kwh.) Producida en instalaciones eólicas se deduce de un
cálculo bastante complejo. Para su evaluación se deben tener en cuenta diversos factores:
› En la inversión inicial, el costo del aerogenerador incide en aproximadamente el 60 a 70%. El
costo medio de una central eólica es de 1.000 Euros por KW de potencia instalada.
› Debe considerarse la vida útil de la instalación, unos 20 años, y la amortización de este costo.
› Los costos financieros.
› Los costos de operación y mantenimiento.
› La energía global producida en un periodo de un año varían en función de las características del
aerogenerador y del viento en el lugar donde se ha instalado.
El costo inicial de esta energía es alto, principalmente por el tipo de equipo que se utilizan, pero
en el largo plazo es más conveniente que las formas tradicionales de producción sobre la base de
combustibles fósiles.
El gobierno de Chile está impulsando un plan de seguridad energética (PSE) a través de acciones
de corto y mediano plazo tendientes a:
› Diversificar la matriz (en términos de insumos y proveedores).
› Lograr mayor independencia.
› Promover el uso eficiente de la energía.
El programa de gobierno de la Presidenta Michelle Bachelet se compromete a desarrollar
instrumentos e iniciativas para que el 15% de la nueva capacidad instalada de generación
eléctrica se logre con energías Renovables no convencionales (ERNC) al año 2010.
Las ERNC contribuyen a: diversificar la matriz, reducir la dependencia de combustibles fósiles,
mitigar emisiones de gases con efecto invernadero, facilitar el ingreso de nuevos actores al
mercado eléctrico, fomentar la innovación, el emprendimiento y generar nuevas oportunidades de
negocios.
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Principales Barreras de las ERNC
Un gran espectro de las diferentes tecnologías de energías renovables está disponible
comercialmente y otras aún en etapas de investigación y desarrollo. Sin embargo, en esta región
del continente en general y en Chile en particular, estas opciones chocan con barreras del tipo:
› Técnicas : Información insuficiente de los recursos, mapas (eólicos, geotérmicos, solares, etc.).
Falta de capacidad de transmisión o falta de transmisión. Insuficiente capacidad para diseñar y
desarrollar proyectos. Dificultades con el suministro de equipos.
› Regulatorias : Marco regulatorio insuficiente (leyes corta I y II) que no resuelven algunas
barreras (riesgos en los accesos a los sistemas de comercialización); y falta de incentivos
concretos para el desarrollo de proyectos de ERNC.
› Económicas y Financieras: Los Proyectos con ERNC no son competitivos con los de energías
tradicionales. No se disponen de sistemas de financiamiento formales (bancos) para los proyectos
con ERNC.
› Institucionales : Retraso en la tramitación de permisos sectoriales y en algunos caso exigencias
exageradas por parte de algunos servicios públicos. Ello, debido a que no existe experiencia
desde el punto de vista del manejo ambiental de estas tecnologías que son nuevas en el país, lo
que repercute en una demora de la toma de decisiones.
› Sociales : Desconocimiento del desarrollo de estos proyectos, lo cual implica desconfianza o
bien demasiadas expectativas de los propietarios de los terrenos posibles de potencial de ERNC
(eólico, minihidro, otros). A nivel país, la sociedad espera que las ERNC solucionen el problema
energético, pero hay que ser muy claro en señalar, que si bien las ERNC son un buen
complemento a la matriz energética nacional, no es la solución integral a la problemática
energética, y tendremos que seguir conviviendo, por bastante tiempo con las fuentes
convencionales.
Leyes cortas I Y II
¿Por qué no invertir?
Dentro de las razones que se conocen para no invertir en generación de energía renovable se
encuentra:
-
El proceso de generación utiliza tecnologías poco exploradas y de alto costo.
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-
Las energías renovables poseen generalmente un bajo nivel energético.
-
El almacenamiento de energía es generalmente difícil, poco eficiente y costoso.
Incentivos en el mundo
En Dinamarca por ejemplo se tiene como incentivo para el desarrollo de energías renovables un
20%, en Alemania un 9,4%, etc. Así, las ERNC no ingresan por sus propios medios.
Los incentivos que se ofrecen son los siguientes:
1.- Feed-In Tariffs
Es el más común para incentivar ERNC en la unión Europea. Que consiste en que las
distribuidoras eléctricas son obligadas a comprar toda la energía generada por fuentes renovables
a un precio previamente fijado por el gobierno, que depende de la tecnología de generación
utilizada.
2.- Impuestos específicos
En países como Dinamarca y el reino unido, se ha agregado un impuesto específico a todas
las tecnologías de generación. Dicho impuesto se le descuenta a todos los compradores que
obtienen energía de fuentes renovables.
3.- Sistema de reducción de Intereses
Existen fondos destinados a subsidiar las tasas de interés para créditos orientados a realizar
inversiones en proyectos con energías renovables. Los proyectos, de acuerdo a sus características
técnicas y económicas, pueden optar desde un 1% hasta un 5% de reducción de intereses anuales,
lo que disminuye el riesgo asociado a la inversión en estas tecnologías.
4.- Subsidio a la Inversión
Se entrega un subsidio directo a un porcentaje de la inversión inicial correspondiente a
proyectos relacionados con energías renovables.
Ejemplo: en Grecia se subsidia hasta el 35% de la inversión en generación eléctrica renovable
(dependiendo de la tecnología utilizada) y hasta un 75% para sistemas de calentamiento de agua
con energía solar. Finlandia por su parte subsidia cerca del 30% de la inversión inicial para
sistemas de generación eólicos.
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Incentivos de las ERNC en Chile
Con el objetivo de crear condiciones no discriminatorias para la integración de las ERNC al
mercado eléctrico surgen las llamadas leyes cortas I y II.
Ley Corta I
Esta ley incorpora como incentivo la excepción de peaje de transmisión para centrales menores a
20 MW. Lo que concluyó en un aporte insuficiente para el desarrollo de estas forma de energía.
Ley Corta II
Indica (Art. 96), que los propietarios de medios de generación con ERNC “tendrán derecho a
suministrar a los concesionarios de distribución, al precio promedio señalado en el inciso primero
de este artículo, hasta el 5% del total de demanda a clientes regulados”.
Este incentivo va en la dirección correcta.
Incentivos que otorga la actual ley eléctrica
Condiciones para las ERNC en Chile antes y después de la aprobación de las leyes Cortas I Y II
Costos de transacción ante el CDEC
Costo uso sistema troncal
Pago por potencia a firme
Pago de Energía
Requerimiento de despacho del
CDEC
Pago de los costos de transacción para
Venta garantizada. Sin costo
poder transar energía y potencia
<9MW=0%
9 a 20 MW = lineal desde 0%
Pago de peajes
y 100% >20 MW = 100%
Eólico=0%
mini-hidro = PI*FP*95%*70%
90%
PI*FP*95%*70% para eólica
y minihidro.
Costo marginal instantáneo
Cumplir con requerimientos tanto para Auto despacho informando al
los compromisos de generación de CDEC, sin compromiso de
energía y de potencia
montos de generación.
Nota: PI = Potencia instalada, FP = Factor de planta, 95% y 70% son indisponibilidades.
____________________________________________________________________________________
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