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Fecha: 2014.09.24 15:17:25 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del Proyecto
“Diseño de Sistema de Generación Electro-Eólica conectado a la Red”
Empresa
“Universidad Nacional de Rio Cuarto, Córdoba Argentina – Facultad de
Ingeniería, Laboratorio Grupo de Electrónica Aplicada (GEA)”
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
“Técnico Superior Universitario en Energías Renovables – Área Energía Solar”
Presenta
“Daniel Lira Ibarra”
Asesor de la UTEQ
Asesor de la Organización
M. en I. Clara Cardona Martínez
Dr. Daniel Gustavo Forchetti
Santiago de Querétaro, Qro. Septiembre de 2014
Resumen
La energía eólica como muchas de las energías alternativas con las que hoy en
día se cuentan, se han vuelto un recurso importante en la generación de
electricidad, ya que una parte importante de ellas es que son limpias, seguras,
económicas, renovables y funcionales. La capacidad de generar y proporcionar
energía eléctrica en el mundo se ha convertido en un tema preocupante. En
este trabajo de estadía
se determinará cuantitativa y cualitativamente los
aspectos dimensionales, parámetros eléctricos y capacidad de generación,
mediante investigación, estudio y de un diseño de un Sistema de Generación
Electro Eólico Conectado a la Red de distribución. Se hablara sobre
el
funcionamiento técnico de las partes que componen un aerogenerador eólico.
Se hablara del diseño propuesto para la investigación, así como la distribución
de vientos anuales, la energía anual generada y rangos de velocidad, con base
a datos experimentales y por último se dará a conocer el diseño de un
aerogenerador eólico en un software de diseño en 3D, esto de manera
demostrativa.
2
Descripción
The project was carried on at the Universidad Nacional de Rio Cuarto in the
province of Cordoba. Dr. Daniel Forchetti was very helpful in the project. He is
an intelligent middle-age person. He had blue eyes, short hair and white skin.
He has a wonderful personality; he is always on top of things. In relation to the
laboratory facilities of the Grupo de Electronica Aplicada, there were adequate
equipment and resources for research. The members of the group were kind
and gentle. From the first moment, they made me feel part of the work team.
3
Dedicatorias
El presente trabajo realizado, se la dedico a mi familia que gracias a su apoyo
pude concluir mi carrera como Técnico. A mis padres y hermanos por su apoyo
y confianza. Gracias por ayudarme a cumplir mis sueños, mis objetivos como
persona y estudiante.
A mi Padre por brindarme los recursos necesarios, por estar a mi lado
apoyándome , por ser el mejor ejemplo, mejor maestro, mi mejor amigo y
aconsejándome a diario.
A mi Madre por hacer de mí una mejor persona a través de sus consejos,
enseñanza, amor y por creer siempre en mí.
A mis hermanos por estar siempre presentes, acompañándome en este camino,
por su apoyo, confianza y cariño que me brindaron para poder realizar este
sueño.
4
Agradecimientos
El trabajo realizado en esta estadía, fue posible gracias a la beca otorgada por
la Universidad Tecnológica de Querétaro, a través de la dirección de Innovación
y Desarrollo Tecnológico, que gracias a ello fue posible realizar esta estancia en
la ciudad de Rio IV, en Argentina.
Además del apoyo incondicional de Familiares, Maestros y Amigos, que sin
duda alguna fueron una parte importante en este paso de mi vida.
Quiero agradecer a mis profesores de la carrera, que gracias a sus
enseñanzas, su tiempo y dedicación me enseñaron a ser mejor persona en la
vida y a realizarme profesionalmente.
Quiero darle un agradecimiento especial a mi asesora, la M. en I. Clara
Cardona Martínez, por su confianza en mí, por estos años trabajando con ella,
por su apoyo, cariño y que gracias a ella fue posible realizar este proyecto.
Por otra parte muy importante quiero darle las gracias a la Universidad Nacional
de Rio Cuarto (UNRC), por abrirnos las puertas, al Grupo de Electrónica Aplica
(GEA) por darnos la oportunidad de trabajar con ellos y al Dr. Daniel Gustavo
Forchetti, por su apoyo, confianza, enseñanza y por el tiempo brindado , sin el
cual este proyecto no hubiese sido posible.
5
Índice
Resumen...………………………………………………………………..2
Descripción…..……………………………………………………………3
Dedicatorias………………………………………………………………4
Agradecimientos……….…………………………………………………5
Índice……………………………………………………………………...6
I.
INTRODUCCIÓN……………………………………………...8
II.
ANTECEDENTES…………………………………………….10
III.
JUSTIFICACIÓN………………………………………………26
IV.
OBJETIVOS…………………………………………………...27
V.
ALCANCE……………………………………………………...28
VI.
ANÁLISIS DE RIESGOS……………………………………..29
VII.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA…………………………….31
VIII. PLAN DE ACTIVIDADES…………………………………….66
IX.
RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS………………...67
X.
DESARROLLO DEL PROYECTO…………………………..68
 X.I Capitulo 1.- Investigación del funcionamiento técnico de
las partes que componen los generadores eólicos,……………..
 X.II Capitulo 2.- Sistema Eólico Investigado, Distribución de
vientos anuales, Energía Anual Generada y Rangos de
velocidad……………………………………………………………..
 X.III Capitulo 3.- Dibujo de Generador Eólico en 3D…………...
6
XI.
RESULTADOS OBTENIDOS………………………………105
XII.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………120
XIII. ANEXOS…………………………………………………………
XIV. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………..
7
I.
INTRODUCCIÓN
Como sabemos hoy en día alrededor del mundo, se muestra una problemática
muy grande en relación al costo e impacto ambiental de producir energía
eléctrica, una problemática que se ve desde tiempo atrás, donde por un largo
tiempo nadie hacía nada por realizar acciones o tratar de disminuir ese
problema que se estaba generando.
Tenemos la oportunidad de contar con energías limpias, reducir las emisiones
de CO₂ y otros gases en la atmósfera contribuyendo a disminuir el efecto de la
actividad humana en el cambio climático. Comenzar a utilizar este recurso
natural renovable que nos brinda el planeta, donde gracias a ello sea posible
mejorar la calidad de vida de mucha gente. Una de las maneras de poder
combatir el problema de las emisiones de CO₂ es desarrollar proyectos que
aprovechen el recurso eólico como una manera limpia de generar energía
eléctrica.
La energía eólica es un tipo de energía renovable que proviene del movimiento
de las masas de aire y que puede ser aprovechada mediante la utilización de
aerogeneradores o turbinas de viento.
La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a
disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar
termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de
energía verde.
8
Es por eso que este proyecto, “Sistemas de Generación Electro Eólicos
conectados a la RED” permitirá mejorar los conocimientos sobre este tipo de
tecnología lo cual representa una oportunidad muy grande para mucha gente,
que podrá contar con recursos que le permitan mejorar su calidad de vida y
desarrollo económico.
El análisis y estudio de las investigaciones hechas sobre este recurso natural
permitirá tener una idea más clara y precisa de cómo puede ser aprovechado y
que impacto podría tener en las diversas actividades humanas.
9
II.
ANTECEDENTES
La energía eólica es una de las formas de energía más antiguas usadas por la
humanidad. Desde el principio de los tiempos, los hombres utilizaban los
molinos de viento para moler cereales o bombear agua Con la llegada de la
electricidad, a finales del siglo XIX los primeros aerogeneradores se basaron en
la forma y el funcionamiento de los molinos de viento. Sin embargo, hasta hace
poco tiempo, la generación de electricidad a través de aerogeneradores no ha
jugado un gran papel. (Energía, 2014)
A lo largo de la historia se han desarrollado diferentes sistemas de bombeo,
desde los molinos agrícolas para abastecimiento de agua para ganado, hasta
los sistemas de bombeo electro-eólicos con disponibilidad de energía eléctrica
para otros propósitos. En general, cuando se habla de utilización de energía
eólica se pueden mencionar dos aplicaciones principales: el bombeo de agua y
la generación de electricidad. (MASTER, 2013)
Las primeras bombas eólicas aparecieron hacia 1854, desarrolladas por Daniel
Halladay. Estas bombas están formadas por un rotor multi-pala acoplado,
mediante un sistema biela manivela, a una bomba de pistón. (Enrique, 2012)
Hacia 1890 se empezó a fabricar, con álabes metálicos, el conocido molino de
bombeo americano, llegando a convertirse en el molino de viento más utilizado
de cuantos hayan existido, como se muestra en las figuras 1 y 2.
10
Figura 1. Primera Bomba eólica
Figura 2. Molino de bombeo
americano
Con la primera crisis del petróleo en los años 70, sobre todo a partir de los
movimientos contra la energía nuclear en los años 80 en Europa, se despertó el
interés en energías renovables. Se buscaron nuevos caminos para explotar los
recursos naturales disponibles de manera ecológica y económicamente
rentables. (Renovables, Energías Renvables para el Hogar, 2011)
Los aerogeneradores de aquella época eran demasiado caros, y el elevado
precio de la energía que se obtenía a través de los mismos era un argumento
para estar en contra de su construcción. Debido a esto, los gobiernos
internacionales promovieron la energía eólica en forma de programas de
investigación y de subvenciones, la mayoría de las mismas aportadas por los
gobiernos regionales
11
Después de la primera crisis del petróleo de 1973, muchos países
(principalmente los que tenían una importante dependencia de la importación de
esos productos) comenzaron a considerar con mayor interés la producción de
energía eléctrica a partir del recurso eólico. Es así como se empezó a pensar
seriamente en lo que dio en llamarse ahorro o conservación de energía y al
mismo tiempo se comenzó a replantear el tema de la utilización de las energías
no convencionales, apareciendo entonces la energía eólica, desde el punto de
vista económico, como una fuente más competitiva para la producción de
electricidad.
Esta situación incentivó a las compañías de
energía a la realización de nuevos estudios que
llevaron
a
una
importante
mejora
de
las
tecnologías de aprovechamiento, logrando equipos
conversores de energía eléctrica cada vez más
confiables y potentes. Estos estudios permitieron la
construcción
de
grandes
aerogeneradores,
tomando como punto de partida el aerogenerador
de Gedser, (Figura 3) habiéndose construido para
el año 1979 dos aerogeneradores de 630 kW.
Estos diseños resultaron extremadamente caros y
en consecuencia, el alto precio de la energía devino
Figura 3. Aerogenerador de
Gedser
un argumento clave en contra de la energía eólica.
(Téllez, 2011)
Si bien se puede decir que desde los años 70 comenzó la generación de
electricidad a gran escala, también hay que mencionar que ya desde la década
del 30, se hicieron muy populares los denominados Aero cargadores, máquinas
12
eólicas de pequeña potencia generadoras de electricidad (hasta unos 3 kW),
destinadas fundamentalmente a cargar baterías con las que los pobladores
podían en algunos casos iluminarse y también escuchar radio.
En este
contexto general, al producirse la extensión de la electrificación rural por redes
convencionales y sumada la facilidad en adquirir equipos accionados a
combustible a un precio muy acomodado (con la posibilidad adicional, de
brindar un servicio más completo,
Los generadores eólicos se vieron desplazando paulatinamente. A pesar de
este desplazamiento, existen regiones alejadas de los grandes centros urbanos
que no dispone ni dispondrá de energía eléctrica por medios convencionales.
Es en esos lugares, la utilización de sistemas de generación autónomos de
pequeña potencia a partir de energías alternativas es aún viable y atractiva.
Esta viabilidad es más atractiva aún si además se menciona, que en estos
sistemas es posible integrar la función de bombeo de agua (extraída de napas
subterráneas) para consumo humano, de ganado y para riego. Tal es así, que
en la actualidad existen algunos sistemas comerciales de bombeo basados en
generadores electro-eólicos los cuales han sido analizados en su desempeño
práctico y han mostrado buenos resultados.
Algunos de estos sistemas son destinados a solucionar el problema del
abastecimiento de agua potable a zonas de bajos recursos. En la figura 4, se
muestra una línea del tiempo, donde se puede observar
los inicios de los
diferentes usos, que se le dio a la Energía Eólica. (Forchetti, 2013)
13
Figura 4. Inicios y usos de la Energía Eólica.
La evolución histórica de los molinos de viento se puede diferenciar cuatro
etapas definidas por acontecimientos históricos o técnicos.
1) La primera etapa comprende desde las primeras máquinas conocidas
hasta el siglo XIV o XV y se caracteriza por una lenta evolución técnica.
El documento histórico más antiguo que se conoce acerca del aprovechamiento
de la energía eólica son unos grabados egipcios que tratan de la navegación a
vela del cuarto o quinto milenio antes de Cristo. La primera referencia histórica
sobre una posible aplicación de la energía eólica que no fuera la navegación,
data del año 1700 a.C., siendo los babilonios los pioneros en utilizar molinos de
viento para bombear agua con el fin de regar sus campos.
14
El primer molino de viento de aplicaciones utilitarias que se conoce con cierto
detalle es el molino persa de eje vertical que se utilizó posiblemente varios
siglos antes de nuestra era. Este molino se empleaba para moler grano y fue de
uso corriente en el Sijistán, zona situada en la antigua Persia en lo que hoy en
día es Irán y Afganistán, donde se dice que soplaba un viento muy constante
llamado de los 120 días. Se cree que la aparición de este molino tiene alguna
relación con la rueda hidráulica aparecida anteriormente. (Curti, 2013)
El molino persa (figura 8) estaba formado por
una torre de mampostería provista de una
pared frontal que permitía dirigir el viento
sobre las palas. El rotor estaba formado por
unas ocho palas de madera que se unían en
el eje central, comunicando el movimiento a
las muelas situadas en la base.
Figura 8. Molino Persa
En los primeros molinos de eje horizontal (figura 9), el rotor estaba formado por
unas velas que guardaban cierta similitud con las que se utilizaban en la
navegación. El eje sobre el que se unían las seis u ocho palas, movía una
rueda a la que se acoplaba la noria. El conjunto apoyaba en un trípode de
madera que se situaba sobre la boca del pozo.
15
Figura 9. Primer molino de eje horizontal.
El molino mediterráneo era una máquina con un rotor fijo, sin posibilidad de
orientarse en la dirección del viento (figura 10), y se utilizó para bombear agua y
para moler grano en toda la extensión del imperio musulmán.
El modelo más sencillo era el que se utilizaba para sacar agua de los pozos.
Las aspas de estos molinos se fabricaban atando telas a los palos del rotor, de
forma similar a los molinos persas de eje horizontal, de los que sin duda
proceden.
El rotor, se apoyaba sobre un trípode de madera, desde donde se movía la
noria o una rueda con cangilones que permitía sacar el agua. La velocidad de
giro podía regularse por el procedimiento de soltar o recoger las velas.
16
Figura 10. Molino mediterráneo
El molino mallorquín (figura 11) generalmente iba situado sobre la casa del
molinero. El rotor llevaba seis palas que se parecían a las de los molinos
europeos, es decir, las palas estaban fabricadas con entramado de madera y
recubiertas con tela. Las palas disponían de unos tirantes que proporcionaban
una mayor rigidez al conjunto.
Figura 11. Molino mallorquín
17
2) La segunda etapa empieza en el Renacimiento y termina en plena
Revolución industrial. En esa etapa, hay un gran interés por la maquinas
eólicas. Se produce una rápida evolución técnica y ello permite al
hombre introducir importantes mejoras en los molinos. Se desarrollan los
sistemas de orientación, se mera el diseño de las palas, etc...
(Electronica, 2009)
A partir del siglo XV se extienden por Europa dos tipos de molinos
estructuralmente bien diferenciados, y que se desarrollan hasta mediados del
siglo XIX. Son los molinos de trípode y los de torre. Los molinos de trípode
habían sustituido a los de pivote consiguiendo una sustancial mejora en el
sistema de apoyo, lo que hizo posible la construcción de máquinas de mayor
tamaño
La creación del poste hueco permitió a los
molinos de trípode continuar su desarrollo
paralela-mente
a
los
de
tipo
torre,
adaptándose a las necesidades crecientes
de la época. Con el tiempo, el trípode
acabaría recubriéndose para ser utilizado
como almacén, o como vivienda del molinero
(figura 12).
Figura 12. Molino Trípode
Desde la aparición de los molinos de viento, la orientación del rotor fue el
problema más importante que impidió su desarrollo.
18
Desde los sistemas de orientación mediante palanca de los primeros molinos,
se han inventado numerosos artilugios pero la verdadera solución al problema
la aportaron las mejoras de diseño que estaban dirigidas a reducir el volumen y
el peso de la parte del rotor que había de orientarse y la introducción de
rodamientos y piezas deslizantes.
El primer sistema de auto-orientación lo invento el inglés Edmund Lee en 1745.
El mecanismo consistía en un rotor auxiliar, dispuesto perpendicularmente al
rotor principal, que iba montado sobre la escalera de acceso al molino y
acoplado a unas ruedas apoyadas sobre el suelo (figura 13).
Figura 13. Sistema de auto-orientación
19
La evolución de las palas de los molinos anteriores al siglo XVI se construían
con un entramado de varillas a ambos lados de un mástil principal, cubriéndose
posteriormente con una tela (figura 14 - a).
Más tarde, el mástil se colocó en el borde de ataque de la pala, de forma que
soportara mejor la entrada de aire y le diera cierta torsión a la pala a lo largo de
su envergadura, con el fin de mejorar su rendimiento aerodinámico (figura 14 b). Las palas con torsión se desarrollaron en el siglo XVII y la incorporación de
los sistemas de regulación aerodinámica en el XVIII.
La pala con freno aerodinámico incorporado fue inventada por Andrew Meikle
en 1772. Estas palas llevaban un flap en el extremo que actuaba mediante un
resorte cuando el viento era demasiado fuerte (figura 14 - c).
En 1807, Sir Eilliam Cubitt incorporó unas masas de acción centrifuga en el
extremo del mecanismo y consiguió así, por primera vez, un sistema de
regulación automática (figura 14 - d).
Figura 14. Evolución de las palas
20
3) La tercera etapa comprende desde la mitad del siglo XIX hasta mediados
del siglo actual. Durante esa época se desarrolla la teoría aerodinámica
se efectúan otros descubrimientos de carácter técnico. Los molinos de
viento sufren una transformación completa en su diseño.
En la segunda mitad del siglo XIX empieza a aparecer una nueva generación de
turbinas eólicas, con una diferente concepción de diseño. Son máquinas
sencillas y su ámbito de aplicación se reduce a zonas rurales más o menos
aisladas, donde las ventajas de la industrialización no se han hecho notar y en
general se utilizan para bombear agua de los pozos.
Las primeras bombas eólicas aparecieron en Estados Unidos en 1854, y fueron
desarrolladas por Daniel Halladay. Se trataba de rotores de múltiples alabes
(multi-pala) acoplados a una bomba de pistón, (figura 15).
Figura 15. Bombas eólicas (multi-palas)
21
En 1884, Steward Perry fabricó otro modelo con alabes metálicos. Ese molino,
conocido como "multi-pala americano", era un molino mucho más ligero que sus
antecesores y llegó a convertirse en el molino de viento más extendido de
cuantos hayan existido. Tenía un rotor de 3 metros de diámetro, un número de
palas que oscilaba entre 18 y 24 e iba montado sobre un eje horizontal en la
parte superior de una torre metálica, (figura16).
Figura 16. Generador multi-pala americano.
En el año 1892, cuando el profesor Lacour, dentro de un programa de
desarrollo eólico del gobierno danés, diseñó
el primer prototipo de
aerogenerador eléctrico. La máquina tenía cuatro palas de 25 metros de
diámetro y era capaz de desarrollar entre 5 y 25 kW.
En 1924, el finlandés Sigurd Savonius invento un rotor de eje vertical capaz de
trabajar con velocidades de viento muy bajas. El rotor Savonius está formado
por dos semicilindros dispuestos alrededor de un eje vertical.
22
La sencillez de su diseño hacen que esa turbina requiera poco mantenimiento y
la convierte en un sistema adecuado para el bombeo de agua de riego en
regiones poco industrializadas.
Por esta misma época, en Francia, Darrieus desarrolló una turbina de eje
vertical. Esta turbina tiene un rotor provisto de unas palas con curvatura,
fabricadas mediante la yuxtaposición de dos alas.
Este tipo de turbina se ha convertido en una de las opciones de interés dentro
del campo de los modernos aerogeneradores, (figura 17).
Figura 17. Generador de eje vertical, Izq. Savonius. Der. Darrieus.
Es de destacar también el primer aerogenerador de potencia superior a un
megavatio, el Smith-Putnam construido en Estados Unidos en 1941. Este
aerogenerador tenía un rotor de dos palas fabricadas en acero inoxidable,
dispuestas hacia atrás y con cierta conicidad. Las palas tenían la particularidad
de poder variar su conicidad para regular la toma de aire. (figura 18).
23
Figura 18. Primer Aerogenerador, (Smith-Putnam)
4) La cuarta y última etapa empieza con la crisis energética de 1973 y llega
hasta la actualidad. No se aprecian grandes modificaciones en el diseño
pero se produce una evolución tecnológica, se elaboran métodos de
cálculo más rigurosos, se utilizan nuevos materiales más ligeros y más
resistentes, aparecen los sistemas electrónicos de regulación y control.
(Renovables, Energías Renvables para el Hogar, 2011)
El primer paso fue el diseño y la fabricación de una máquina experimental de
100 KW (figura 19), para luego proyectar grandes aerogeneradores con
potencias del orden del Megavatio (MW).
24
La máquina, está formada por una Aero-turbina de tres palas de fibra de vidrio y
poliéster de 20 m de diámetro, con una potencia de 100 KW, para una velocidad
de viento de 12 m/s.
Figura 19. Diseño de aerogenerador
Como se puede observar, en el transcurso del tiempo, la energía eólica ha
estado presente en una gama enorme de utilización donde se ha aprovechado
en su totalidad con fines prácticos, donde ha tenido un resultado favorable para
miles de las personas. El cambio y el estudio de la energía eólica han dado
muchos cambios, donde la tecnología ha sido cada vez mejor y gracias a esto
el rendimiento y la eficiencia de los sistemas eólicos ha evolucionado y
mejorado en el paso de los años.
25
III.
JUSTIFICACIÓN
La Energía Eólica, se ha convertido en unas de las alternativas más eficaces
para la generación de energía eléctrica de manera natural y limpia. Como
sabemos es un método donde la investigación y el estudio son puntos
fundamentales para realizar un correcto diseño del sistema, representando así
la posibilidad de brindar un gran beneficio a mucha gente que hoy en día vive
una problemática verdaderamente notable.
Este innovador sistema de Generador Eólico proporcionará energía eléctrica de
manera limpia, sin contaminar al medio ambiente, a comunidades que por largo
tiempo no contaban con acceso a este recurso
Permitirá mejorar el conocimiento que las personas puedan tener sobre este
tipo de sistemas de generación. Se abarca este estudio considerando estos
sistemas de generación como otra forma de obtener energía eléctrica, a partir
del movimiento de grandes masa de aire, lo cual sucede en casi cualquier parte
del mundo, en especial en el medio del mar.
El estudio desarrollado tiene también la intención de mostrar que no es
necesario deteriorar y contaminar el medioambiente para obtener recursos que
solo tenemos por comodidad y recalcar que por lo contrario es necesario
desarrollar proyectos que aprovechen los recursos renovables disponibles y
determinar acciones para el cambio de conciencia social.
26
IV.
OBJETIVO
Objetivo general:
Determinar cuantitativa
y cualitativamente los aspectos dimensionales,
parámetros eléctricos y capacidad de generación, mediante investigación,
estudio y análisis para la elaboración de un diseño de un Sistema de
Generación Electro Eólico Conectado la Red de distribución
Objetivos específicos:

Investigar características eléctricas de la conexión a la Red.

Realizar un análisis de la velocidad del viento, límites de potencia,
disponibilidad, energía anual generada, etc.

Dibujar un Aerogenerador Eólico demostrativo. (Software de diseño en
3D)
27
V.
ALCANCE
El alcance de este proyecto, será determina los aspectos y características
principales a tomar en cuenta para un correcto diseño de un sistema electroeólico conectado a la red. En un periodo del 13 de Mayo 2014 al 27 de Agosto
del 2014.

Realizar una investigación sobre los sistemas eólicos conectados a la
red, tomando en cuenta características de conexión.

Investigar el funcionamiento técnico de las partes que componen los
generadores eólicos, fabricación de las palas del sistema, así como el
modelo dinámico del aerogenerador.

Realizar una distribución anual de viento, energía anual generada,
rangos de velocidad, comportamiento de las curvas respecto al
funcionamiento del aerogenerador.

Dibujar un Aerogenerador Eólico demostrativo. (Software de diseño en
3D)
28
VI.
ANÁLISIS DE RIESGOS
En relación a los alcances mencionados al inicio del proyecto, describo de
forma resumida los problemas con los cuales me encontré al realizar cada uno
de ellos.
a) Realizar una investigación sobre los sistemas eólicos conectados a la
red, tomando en cuenta características de conexión:
Una de las problemáticas que tuve en la investigación sobre las características
de conexión con respecto a los sistemas eólicos, fue el tiempo, ya que existen
una gama grande de tipos de conexión a la red, esto dependiendo del sistema
eólico con el cual se trabajara, encontrando así diferentes maneras de
combinación de los cuales abarca, los sistemas de velocidad variable – paso
variable, velocidad variable – paso fijo, paso fijo – velocidad fija, paso fijovelocidad variable, entre otras. Para lo cual se recomienda un estudio enfocado
a la investigación de estos sistemas.
b) Realizar un estudio estadístico de la distribución anual de viento, energía
anual generada, rangos de velocidad, comportamiento de las curvas
respecto al funcionamiento del aerogenerador.
Para el análisis de las curvas de vientos, y de los parámetros de los cuales se
estudió, se pudieron llevar a cabo al término del proyecto, sin embargo cabe
mencionar que para la obtención de los resultados, me encontré con una
29
dificultad respecto a las ecuaciones matemáticas con las cuales se trabajó
además del estudio el cual se llevó acabo antes de realizar el análisis, el cual
hablando generalmente se necesita más de 4 meses para llevar un estudio más
concreto.
c) Dibujar un Aerogenerador Eólico demostrativo. (Software de diseño en
3D).
Y por último el mayor problema el cual tuve fue realizar un diseño en un
software completamente nuevo para mí, lo cual me llevo un cierto tiempo de
poder manejar las herramientas no en su totalidad, poder entender de una
manera clara el manejo del programa para poder llegar al punto de trabajar de
una manera y cumplir con la última parte de proyecto.
Generalmente hablando de la Energía Eólica, actualmente es una forma de
generar energía y que es considerada una de las más eficaces y limpias, lleva
un tiempo mayor a 4 meses para tener un panorama y un conocimiento mayor
sobre los sistemas eólicos y todo lo relacionado a este tipo de energía
alternativa. Es por eso que el tiempo en el cual se trabajó, pudo llegar a
convertirse en un problema no mayor para poder cumplir con los alcances.
30
VII.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a
disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar
termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de
energía verde.
La Energía Eólica, es la Energía Cinética del aire en Movimiento (Energía en
movimiento) dada por,
Dónde:



= Energía Cinética
= masa
v= velocidad
En la superficie terrestre, el movimiento de las masas de aire se debe
principalmente a la diferencia de presiones existentes en distintos lugares,
moviéndose estas desde las regiones de alta a las regiones de baja presión
(figura 21). Este tipo de viento se llama viento geoestrófico.
Al igual que la mayoría de las fuentes de energía renovables La energía eólica,
proviene del sol, ya que, en general, es la radiación solar concentrada en
31
distintas zonas geográficas de la tierra las que produce estas diferencias de
presiones que originan la circulación del aire. (Forchetti, 2013)
Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la
superficie terrestre por parte de la radiación solar. De toda la energía que llega
del sol a nuestro planeta, entre el 1% y 2% se convierte en movimiento de
grandes masas de aire. De día, las masas de aire sobre los océanos, los mares
y los lagos se mantienen frías con relación a las áreas vecinas situadas sobre
las masas continentales.
Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire
que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviano
y se eleva. El aire más frío y más pesado que proviene de los mares, océanos
y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire
caliente. (Energía, 2014)
Figura 21. Movimiento del aire
32
La energía del viento es aprovechada mediante el uso de una turbina más un
generador, capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de
rotación utilizable, ya sea para accionar directamente algún mecanismo
(bombeo de agua en sistemas multi-pala), como para la producción de energía
eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un
generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es
conocido como aerogenerador.
Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina accionada
por el viento (turbina eólica). Sus precedentes directos son los molinos de
viento que se empleaban para la molienda y obtención de harina. (Energizar,
2011)
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 (figura 22).
Figura 22. Esquema básico, generación de energía eléctrica
33
Para poder hacer un correcto aprovechamiento de un emplazamiento eólico es
importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los
vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la
entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos
ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años.
Es también importante conocer la velocidad máxima del viento para poder
utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad
mínima que depende de la turbina que se vaya a utilizar pero que suele
empezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada
"cut-in speed", y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada "cut-out
speed". (Renovables, Energías Renvables para el Hogar, 2011)
Tipos de turbinas eólicas.
Los tipos de turbinas eólicas se clasifican de acuerdo a su disposición en dos
grandes bloques, según sea el eje vertical u horizontal. Dentro de las turbinas
de eje vertical, se destacan los siguientes diseños: la turbina de rotor tipo
Savonius, cuya sección recta tiene forma de S y la turbina de rotor tipo Darrieus
integrada por varias palas unidas por sus extremos al eje vertical, estando
arqueadas en una forma similar a la que tomaría una cuerda girando alrededor
del eje. En la figura 23, se muestran dos de los diseños de turbinas eólicas de
eje vertical más comunes.
34
Figura 23. Generadores de Eje vertical (Izq. Savonius, Der. Darrieus).
En las turbinas de eje horizontal el número de palas puede ser: una, dos, tres, o
multi-pala (15 - 20) como se muestra en la figura 24. Las primeras son más
adecuadas para velocidades de viento altas y son denominadas “rápidas”,
mientras que las multi-pala lo son adecuadas para bajas velocidades de viento
y se denominan “lentas” (Una clasificación más adecuada sería en función de
un coeficiente llamado “Tip Speed Ratio” o velocidad de punta de pala.
Figura 24. Generadores de Eje Horizontal, Izq. Tri-pala, Der. Multi-pala
35
Al momento de seleccionar una turbina eólica para una determinada aplicación
dos factores son fundamentales: primero el régimen de vientos disponible, que
va fijar que tipo de máquina es la que mejor puede aprovechar las corrientes de
viento incidentes y segundo, la energía que se desea obtener en un periodo de
tiempo dado, y que determinará el área que debe barrer el rotor y, en definitiva,
el tamaño de la máquina, como se muestra en la figura 25, el régimen de
vientos disponibles para dos tipos de turbinas, ya sea Multi-pala o Tri-pala.
Figura 25. Régimen de vientos
Cabe mencionar que las turbinas de eje horizontal poseen varias ventajas sobre
las de eje vertical, entre ellas: mayor rendimiento, la superficie de la pala es
menor que en los modelos de eje vertical para una misma área barrida y la
sujeción de los modelos Darrieus impiden elevar la turbina tanto como en los
modelos de eje horizontal. Esto último da lugar a que con una misma área
barrida se obtenga menor potencia en los de tipo Darrieus, por aprovecharse
menos el aumento de la velocidad del viento con la altura. (Curti, 2013)
36
Características de conexión de los sistemas eólicos
conectados a la Red.
La evolución de la energía eólica se ha dirigido en los últimos años a sistemas
conectados a la red. Esto mejora la economía global y la disponibilidad de
cargas de las plantas renovables; los dos factores más importantes de cualquier
sistema de energía.
La red de distribución suministra energía al lugar de conexión cuando hace
falta, o absorbe el exceso de energía producido cuando está disponible. Un
medidor de kWh se utiliza para registrar la energía transmitida a la red, y otro
medidor de kWh se usa para registrar la energía absorbida de la red.
(Electronica, 2009)
En las instalaciones que contemplan grandes sistemas eólicos, la tendencia
actual es usar diseños de velocidad variable.
La salida del generador de
frecuencia variable primero se rectifica a DC, y luego se invierte en AC de
frecuencia fija. Antes de la inversión, los armónicos del rectificador se filtran en
DC por el inductor y condensadores. La referencia de frecuencia para el
encendido del inversor y la referencia de voltaje para el control del ángulo de
fase del rectificador son tomados de las líneas de la red (figura 26).
El valor de referencia del ratio punta-velocidad se almacena y continuamente
compara con el valor computado de las velocidades del viento y el rotor. La
velocidad de la turbina cambia para asegurar la máxima producción de energía
en cualquier momento. (Toledo, Aromataris, & Perrone, 2009)
37
Figura 26. Esquemas de Sistema eólico conectado a la Red
Los requerimientos de interface con la red en los sistemas se producen desde
los terminales del interruptor automático de sincronización al extremo de salida
del inversor. El flujo de energía en cualquier dirección depende del voltaje del
sitio en los terminales del interruptor automático. Los requerimientos
fundamentales en el voltaje del sitio para interactuar con la red son los
siguientes:
38
• La fase y magnitud del voltaje deben ser iguales a lo requerido por la magnitud
deseada y dirección del flujo de energía. El voltaje es controlado por el ratio de
transformación
del
transformador
y/o
el
ángulo
de
encendido
del
rectificador/inversor en un sistema de control en bucle cerrado.
Para que el sistema trabaje, la frecuencia debe ser exactamente igual a la de la
red. Para cumplir exactamente los requerimientos de frecuencia, el único medio
efectivo es usar la frecuencia de la red pública como referencia para la
frecuencia de conmutación del inversor. (TodoPrductividad, 2004)
En el sistema eólico, los generadores síncronos del sistema de la red
suministran corriente magnetizante para el generador de inducción. Tomando
el sistema eólico, el proceso de sincronización específicamente funciona como:
• Con el interruptor automático de sincronización abierto, el generador de
energía eólica es llevado para acelerar usando la máquina en modo motor.
• Cambiar la máquina a modo de generación, y ajustar los controles de forma
que los voltajes del sitio y de la red se acoplen a los requerimientos anteriores
en todo lo que sea posible.
• El acoplamiento se controla por tres lámparas de sincronización o sincroscopio, una en cada fase. El voltaje a través de las lámparas en cada fase es la
39
diferencia entre el voltaje del sitio renovable y el voltaje de la red en cualquier
instante. Cuando el voltaje del sitio y de la red es exactamente iguales en las
tres fases, las tres lámparas se quedan oscuras. Sin embargo, no es bastante
para las lámparas estar oscuras en un instante. (IEEEXplore, 2012)
Esta condición se cumplirá solamente si los voltajes del generador y de la red
están a la misma frecuencia. Si no, uno de los dos voltajes trifásicos rotará más
rápido relativo al otro, y la diferencia entre los dos voltajes se notará en la
iluminación de las lámparas.
• El interruptor automático de sincronización se cierra si las lámparas quedan
oscuras ¼ o ½ segundo. Siguiendo al cierre, pequeños desacoplamientos entre
el voltaje del sitio y el voltaje de la red circularán la corriente de afluencia entre
los dos de forma que los dos sistemas tengan una operación síncrona perfecta.
(Electronica, 2009)
Estructura de Control (Conectado a la Red).
La estructura de control del sistema eólico conectado a una Red, consta de tres
niveles, los cuales se clasifican del nivel Superior, Intermedio e Inferior.
En el primer nivel, (Nivel superior) SUPERVISIÓN: se puede encontrar; el
monitoreo del estado de la turbina, el monitoreo del recurso eólico y el
monitoreo del estado de carga. En el segundo nivel, (Nivel Intermedio)
40
CONTROL DE LA TURBINA: consta del control de la velocidad óptima (T ‫ )ג‬y el
control de paso (β) y por último (Nivel Inferior) CONTROL INTERNO: Control de
actuadores de paso y control de generador.
Se puede obtener dos formas de tener una conexión a Red, existen las
conectadas a red (Fuertes) (Co-Generación) y las conexiones a Red llamadas
(Débil) (Distribuido), (figura 27). (Forchetti, 2013)
Figura 27. Estructura de Control, Izq. Co-Generación, Der. Distribuido

Conectadas a una RED (fuerte), (Co-Generación)
Inyectar Potencia Activa (P).
Inyectar Potencia Reactiva (Q)

Conectadas a una RED (débil), (Distribuido)
Colaborar con la regulación de Frecuencia (P)
Colaboración con la regulación de Tensión (Q)
41
Existen diferentes tipos de configuraciones en la conexión a la red, (figura 28),
donde se puede obtener un aprovechamiento de la energía, donde
las
configuraciones van con un rango de 100%, donde se tiene una salida de
conexión a la red, y un aprovechamiento del 70% de energía directo del estator
y un 30% del rotor directamente, teniendo una salida a red de tres salidas.
Figura 28. Esquema de Configuraciones más utilizadas
42
Sistemas de Conexión a la Red.
Conexión directa de aerogeneradores a la red: Con la conexión directa a la red
es posible que la turbina gire dentro de una amplia gama de velocidades de
viento. Hoy en día en el mercado se ofertan turbinas con un deslizamiento de
hasta un 35%.
Existen dos tipos de sistemas de aerogeneradores, los de velocidad Variable y
velocidad Constante:
Si el aerogenerador funciona a velocidad variable, la frecuencia variará
ampliamente, como se muestra en la figura 29:
Figura 29. Tipos de señal eléctrica.
La corriente alterna necesita, ser transformada para emparejar su frecuencia a
la de la red pública. Hay tres pasos importantes en estos sistemas: generador,
corriente directa DC-rectificador y corriente alterna AC-inversor. (Fernandez,
2009)
43
El primer caso es convertir la corriente fluctuante en DC. A continuación la DC
se invierte a la AC con exactamente la misma frecuencia a la de la red pública.
Y por último el inversor produce clases diferentes de armónicos que se tienen
que filtrar antes de alcanzar la red pública.
Generación de corriente alterna AC a frecuencia variable: La mayoría de los
aerogeneradores funcionan a una velocidad casi constante con conexión directa
a la red.
Sin embargo con conexión indirecta a la red, el aerogenerador funciona en su
propia mini red de corriente alterna que está controlada electrónicamente,
(utilizando un inversor), por lo que se puede variar la frecuencia de la corriente
alterna en el estator del aerogenerador.
De esta forma la turbina funciona a una velocidad de giro variable y se genera
corriente alterna exactamente a la frecuencia variable aplicada al estator. El
generador puede ser síncrono o asíncrono y si tiene muchos polos la turbina,
puede tener una caja multiplicadora o en algunos caso no. (Electronica, 2009)
Conversión a corriente continua CC: La corriente alterna de frecuencia
variable no se puede tratar en la red, por lo que previamente habrá que
rectificarla, invirtiéndola en corriente continua CC) La conversión de corriente
alterna de frecuencia variable continua se puede hacer utilizando tiristores o
grandes transistores de potencia.
44
Conversión a corriente alterna de frecuencia fija: La corriente continua
(fluctuante), se convierte en corriente alterna (utilizando un inversor) de la
misma frecuencia que la de la red pública.
Ventajas de conexión indirecta a la red, velocidad variable: las ventajas de
conexión a la red es que permite hacer funcionar la turbina eólica a velocidad
variable. Permite que el rotor gire más rápido durante las ráfagas de viento,
almacenando parte del exceso de energía en forma de energía rotacional hasta
que haya pasado la ráfaga. (IEEEXplore, 2012)
Sin dejar de mencionar que requiere de una estrategia de control, ya que tiene
que distinguir entre ráfagas y alta velocidad del viento.
Otra ventaja es que con la electrónica de potencia, se puede controlar la
potencia reactiva, es decir el desfase de la corriente respecto a la tensión de la
red de corriente alterna, y así mejorar la calidad de potencia de la red. Esto es
particularmente útil en aerogeneradores funcionando en una red eléctrica débil.
Aerogeneradores de Velocidad Constante.
En los aerogeneradores de velocidad constante, pala fija y regulación por “stall,
equipados por generador de inducción asíncrono rotor jaula de ardilla
conectado directamente a la red, sin convertidor, es necesario utilizar una caja
multiplicadora y un compensador de reactiva para reducir la demanda de
potencia reactiva a la red (figura 30), para compensar el consumo de reactiva
van con un campo de condensadores. (Leidhol, García, & Inés, 2012)
45
Figura 30. Aerogenerador de velocidad constante.
Comportamiento respecto a la red: Estas aeroturbinas transmiten las
variaciones de potencia del viento a la red sin amortiguar, por lo que la potencia
de salida de la red es muy variable, con fuertes picos en caso de ráfagas de
viento.
La regulación de la frecuencia de la velocidad de giro es solo posible si se
puede cambiar el número de polos de la maquina o en este caso se tienen dos
generadores, en donde uno de ellos sea para vientos medios y altos, y el
segundo para vientos bajos. (López, 2007)
Lo mismo sucede con la regulación de la tensión ya que siempre está
consumiendo reactiva, pudiéndose regular solo un pequeño margen con la
batería de condensadores para obtener un factor de potencia próximo a la
unidad.
46
Ante los huecos de tensión reacciona aumentando la velocidad de giro de las
palas ya que el par eléctrico resistente reduce con el cuadrado de la tensión al
disminuir esta por el hueco. Para evitar el embalamiento de la máquina, esta se
desconecta para protegerla de la sobre velocidad. Sin embargo si la duración
del hueco es pequeño, por despejarse rápidamente la falta que lo ha
producidos, se aplica de nuevo el par resistente eléctrico frenándose la
máquina.
El tipo de falta, es decir su severidad y grado de generación eólica (magnitud
de viento) en el momento de producirse el hueco, influyen en la aceleración que
adquiere el aerogenerador, por ser diferentes los pares eléctricos y mecánicos
producidos. (Electronica, 2009)
Aerogenerador de Velocidad Variable.
El estator esta acoplado directamente a la red a través de un transformador, el
rango de variación de la velocidad del generador es en uno de cuatro polos,
desde 1400 + 1750 rpm (figura 31). La caja multiplicadora es de tres etapas,
con una relación de multiplicación 1/60.
El control de la potencia es más exacto ya que se recurre a una regulación
activa, variando el ángulo de paso, o variando la velocidad optimizando la
energía extraída del viento a distintas velocidades. Con el uso de convertidores
(ya sean pequeños convertidores que controlan la corriente excitación, como
convertidores para toda la potencia del generador) se pueden controlar las
47
corrientes de las dos partes del convertidor, el lado del rotor (rectificador) y el
lado de la red (inversor), controlando la energía activa y reactiva descargadas
en la red, mejorando la interacción con la red respecto a las condiciones de
régimen permanente, la calidad de suministro y la estabilidad de tensión y fase.
(IEEEXplore, 2012)
Figura 31. Aerogenerador de Velocidad Variable.
Comportamiento respecto a la Red: La turbinas de velocidad variable y
generador doblemente alimentado (DFIG) tienen unas posibilidades de control
mayores. La regulación de tensión se puede hacer actuando sobre la parte del
convertidor conectado a la red controlando su corriente.
Este consiste en un DFIG cuyo circuito de estator está directamente conectado
a la red de potencia y el circuito de rotor conectado a través de un convertidor
fuente de voltaje (VSC) “back-to-back”, que actúa como variador de frecuencia.
La doble alimentación se refiere a que la tensión del estator es obtenida de la
red y la tensión del rotor desde el convertidor estático (Fernandez, 2009)
48
La regulación de la frecuencia es posible actuando sobre la parte del
convertidor del lado del rotor, que hace variar el par, y por consiguiente la
potencia entregada, sin embargo su capacidad para poder soportar huecos de
tensión es limitada, ante huecos importantes se deberá desconectar a la red.
Existen soluciones para evitar esta desconexión en base al uso de IGBT,
sobredimensionados y a separar transitoriamente el estator de la red mediante
un dispositivo electrónico, lo que evita que se reflejen las corrientes estatoricas
elevadas en el rotor por efecto transformador.
También se puede cortocircuitar el rotor por medio de un dispositivo llamado
“active crowbar” con dos disposiciones de diodos o tiristores situados entre el
rotor y la parte del convertidor conectado a él, con lo que se evita que las
elevadas corrientes del rotor entren en el convertidor y posteriormente una vez
que se detecta que se han alcanzado valores normales, volver a conectar el
convertidor. (Energuia, 2002)
Instalaciones en Parques Eólicos (Terrestres).
Las instalaciones eólicas conectadas a la red, conocidas como parques eólicos,
disponen de aerogeneradores que miden 80 o 90 metros y pueden instalarse en
tierra. En este caso, en el que se vierte a la red la energía generada, las
potencias de los aerogeneradores han experimentado un enorme cambio en las
últimas décadas, pasando de potencias de alrededor de 100 kW en la década
de los 80, a los ya comúnmente instalados de 2 MW. Además, existen ya en el
49
mercado máquinas de potencias superiores, de hasta 4,5 MW, que se
están implantando en los nuevos parques eólicos. (Energizar, 2011)
Los aerogeneradores se pueden dividir en dos grandes grupos (figura 32), por
su tamaño y fin para el que se instalan:

Grandes Aerogeneradores: Aunque en sus orígenes la energía eólica
se inició con aerogeneradores de 200-300 kW, actualmente se instalan
unidades entre 1000-3000 kW, siendo las de 1500-2000 kW las más
utilizadas. En ambos casos se utilizan conectados a la red de
distribución, en media tensión, instalados en Parques Eólicos.

Pequeños aerogeneradores: De potencias inferiores a 100 kW. Se
utilizan para instalar en combinación con otro tipo de energías, sobre
todo con solar fotovoltaica y en instalaciones sin conectar a red o
conectadas a redes en baja tensión. (Energuia, 2002)
Figura 32. Generadores de Media tensión (Izq.) y Baja tensión (Der.}.
50
Un parque eólico es un conjunto de aerogeneradores conectados entre sí a baja
tensión (figura 33), que mediante la acción del viento, transforman la energía
cinética en energía eléctrica y que, después de ser transformada en alta
tensión, se conectará a la red eléctrica.
produciendo electricidad
Este tipo de instalaciones está
que se vende a las compañías eléctricas. La
realización de parques eólicos exige emplazamientos, donde las características
del viento cumplan una serie
de condiciones respecto a la velocidad, la
continuidad y la estabilidad.
Normalmente, son necesarias velocidades medias anuales del viento superior a
los 6,5 m/s. La distribución y situación de los aerogeneradores en un parque
eólico depende de la orografía del terreno y de las direcciones predominantes
del viento en la zona. Los aerogeneradores se sitúan linealmente, siguiendo el
perfil de la cima, y se orientan según las condiciones del viento. La distancia
entre aerogeneradores, aunque
depende de la dirección del viento, se
mantiene entre 2 y 3 veces el diámetro de las palas. (Fenosa, 2002)
Figura 33. Esquema de funcionamiento de parque eólico
51
Instalación Eléctrica.
Al contrario de lo que sucede con otras fuentes de energía (gas, petróleo,
carbón), la energía eléctrica no se puede almacenar en grandes cantidades. La
electricidad demandada en cada momento tiene que producirse de forma
simultánea en centros de generación; para ello se necesita un equilibrio
complicado y permanente entre generación y consumo, y una red de transporte
que distribuya esa demanda. (Rodriguez, 2000)
El sistema eléctrico de un parque eólico tiene por objeto la transferencia de la
energía producida por cada aerogenerador hacia la red de la compañía eléctrica
que suministre a las poblaciones más cercanas. Se puede generalizar que el
sistema eléctrico de un parque eólico comercial, actualmente, está compuesto
por los siguientes elementos, (figura 34):

Instalación eléctrica de Baja Tensión (BT): Puede ser interna a cada
aerogenerador, o bien externa.

Red subterránea de Media Tensión (MT): Que conecta a los
aerogeneradores entre sí y a la subestación del parque eólico.

Evacuación en Alta Tensión (AT): La forma más eficiente de evacuar la
energía producida por el parque eólico es la Alta Tensión, de modo que
se disminuyan las pérdidas a causa de caídas de tensión por resistencia
y reactancia. (Fenosa, 2002)
52
Figura 34. Instalación de Baja, Media y Alta tensión.
1) El primer caso consiste en unos circuitos internos al equipo y que
conectan la salida del generador con el centro de transformación,
también interno, y que eleva el potencial eléctrico de salida desde Baja
Tensión (unos 690 V) hasta Media Tensión (20 kV). Este trasformador
suele ser de tipo seco, al estar localizado dentro de la torre.
2) En el segundo, el trazado de la red de MT se basa en la disposición de
los aerogeneradores y es aconsejable que la zanja del cableado
transcurra paralela a los caminos de acceso a dichos molinos. La
profundidad de los cables, que habitualmente se instalan directamente
enterrados en las zanjas, suele ser algo superior a un metro.
3) El tercer caso, las condiciones técnicas de conexión de un parque eólico
a la red pública de distribución de electricidad tendrán en consideración
la tensión nominal y máxima de servicio, potencia máxima de
cortocircuito admisible, capacidad de transporte de la línea, tipo de red
aérea o subterránea, sistema de puesta a tierra, etc. Excepcionalmente,
53
y dependiendo de la distancia de la subestación de distribución hasta el
punto de entronque con la red general, la conexión mediante línea de AT.
(Rodriguez, 2000)
Características de Generadores conectados a la red.
La aplicación más frecuente de las actuales turbinas eólicas es la generación de
electricidad. Para esto es indispensable la utilización de un generador eléctrico.
Todo tipo de máquinas eléctricas pueden ser utilizadas para la generación de
potencia eólica. Factores técnicos y económicos definen qué tipo de maquina
deben utilizarse en cada aplicación.
Para pequeñas potencias (<20 kW), la simplicidad y bajo costo de los
generadores sincrónicos de imán permanente (PMSG) explican su extensa
utilización. En aplicaciones desde los 20 kW hasta los 2 MW el generador de
inducción (IG) es más común y más económico.
Generador de Inducción (IG):
El generador de inducción es ampliamente utilizado en medianas y grandes
turbinas eólicas pues tiene las características de robustez, simpleza mecánica y
bajo precio, por economías de escala, dada su producción en serie. Su mayor
desventaja es la necesidad de la corriente reactiva magnetizante en el estator.
54
Generador de Inducción con Jaula de Ardilla (SCIG):
Hasta ahora, el SCIG es la elección prevaleciente debido a su simplicidad, alta
eficiencia y bajos requerimientos de mantenimiento. La demanda de potencia
reactiva es compensada generalmente con la conexión de condensadores en
paralelo al generador o por la inclusión de equipos electrónicos de potencia.
Generador de Inducción con Rotor Bobinado (WRIG):
Las características eléctricas del rotor del WRIG pueden controlarse
exteriormente, por lo que la tensión aplicada al rotor se materializa a través de
un sistema de anillos y escobillas. Gracias al equipamiento electrónico de
potencia, la energía se puede extraer o aplicar al circuito de rotor y el generador
puede magnetizarse por el circuito del estator o del rotor. Es posible también
recuperar energía del circuito del rotor hacia la salida en el estator.
La doble alimentación se refiere a que la tensión del estator es obtenida de la
red y la tensión del rotor desde el convertidor estático. Este sistema permite una
operación de velocidad variable en un amplio pero específico rango. El
convertidor compensa la diferencia entre las frecuencias mecánica y eléctrica
inyectando una señal de rotor de frecuencia variable.
55
Generador Sincrónico:
La ventaja del generador sincrónico por sobre el IG es que no necesita corriente
magnetización desde el estator. Cabe mencionar que el rotor debe ser
alimentado por una corriente de continua.
El campo magnético del generador sincrónico puede crearse mediante imanes
permanentes o por un bobinado de excitación convencional. Si el generador
tiene un número suficiente de polos, puede utilizarse para aplicaciones de
conexión directa que no necesitan de caja multiplicadora/ reductora. Es
probablemente mejor adaptado para la conexión indirecta a la red mediante un
convertidor electrónico de potencia, lo que permite la operación a velocidad
variable.
Para pequeñas unidades el uso del generador de imanes permanentes es más
simple y barato. Por sobre ciertas potencias, la máquina sincrónica es más
costosa y complicada que un generador asincrónico de tamaño equivalente.
Modo de operación de un DFIG
La operación por conexión directa a la red hace que el WRSG rote a velocidad
fija, dada por la frecuencia de la red y el número de polos de la máquina. La
excitación es realizada por el sistema de anillos y escobillas o por un sistema
sin escobillas (brushless) con un rectificador rotatorio. El sistema multipolar sin
engranajes de la operación a velocidad variable – conexión indirecta a la red –
implica la utilización de un generador voluminoso y pesado y un convertidor de
potencia ad hoc a la potencia total del sistema.
56
Generador Sincrónico de Imanes Permanentes (PMSG):
La propiedad de auto-excitación del generador a imanes permanentes, le
posibilita la operación a un alto factor de potencia, con alta eficiencia,
haciéndolo propicio para su aplicación en sistemas de generación eólicos. De
hecho, en el rango de pequeñas turbinas, su bajo costo y simplicidad hacen del
PMSG el más ampliamente utilizado. Sin embargo, en aplicaciones de mayor
potencia, los imanes y la necesidad de un convertidor estático capaz de
manejar toda la potencia de generación lo hacen menos competitivo.
Otros Generadores:
Debido a que habitualmente las turbinas conectadas a la red de potencia
necesitan de un transformador elevador, se está evaluando la utilización de
generadores de alto voltaje, lo que, para un mismo valor de potencia, permite
reducir las corrientes y consecuentemente las pérdidas por Ri² tanto en la
máquina rotatoria como en el transformador.
Para esta alternativa, las estructuras sincrónicas y de inducción, son opciones
interesantes para turbinas de más de 3 MW, no obstante su elevado costo,
problemas de seguridad y de vida útil limitan su comercialización.
Las características del generador a reluctancia conmutada (SRG) son la
robustez, estructura simple, alta eficiencia, costos reducidos y la posibilidad de
eliminar la caja de engranajes.
57
Sin embargo, su adaptación a las turbinas eólicas no ha sido estudiada en
detalle. Presentaría las desventajas de poseer una menor densidad de potencia
y menor eficiencia que un PMSG, e igualmente necesitaría de un convertidor
que trabaje a plena potencia.
Generador de flujo transversal (TFG):
Una alternativa interesante que, sin embargo, aún estaría insuficientemente
estudiada para su aplicación en sistemas de generación eólicos. Permitiría un
número importante de polos, para una aplicación sin caja de cambios, pero la
cantidad importante de componentes y una tecnología aún no desarrollada
limitan su actual utilización.
Instalaciones de Parques Eólicos (Marinos).
Los parques eólicos situados en el mar, conocidos internacionalmente como
“offshore”, son una forma cada vez más utilizada de aprovechar la energía
renovable del viento. Hoy en día el mar abre nuevas oportunidades para la
energía eólica, sobretodo porque el viento circula a velocidades muy elevadas,
y las economías de escala permiten la instalación de turbinas de tamaño
superior. (Portal.net, 2010)
La tecnología de las turbinas eólicas de los parques marinos se basa en los
mismos principios que la de los terrestres. Se construyen bases de hormigón
para sostener la estructura de las turbinas, que puede ser de diversos diseños.
58
La parte superior de esta base se pinta de un color brillante para hacerla visible
a los barcos, e incluye una plataforma de acceso para facilitar el mantenimiento
de los equipos, (figura 35).
El viento en zonas marinas es menos turbulento que en tierra, lo que se traduce
en menores vibraciones en las máquinas y en el alargamiento de la vida útil
respecto a parques terrestres.
La radiación solar es capaz de penetrar varios metros bajo la superficie del
mar, de modo que la temperatura del agua es menor que la alcanzada por una
superficie sólida, terrestre, sometida a la misma radiación. Se registra así
menos diferencia de temperatura entre el mar y la capa de aire en contacto con
él, traduciendo este efecto en menores turbulencias por gradientes térmicos
manos acusados. (Rodríguez, 2013)
Figura 35. Parque eólico marino.
59
Técnicas de anclaje y cableado.
La ejecución de las cimentaciones son: responsables de que las instalaciones
hayan resultado muy costosas.
No obstante los grandes aerogeneradores con cada vez mayor potencia
unitaria, unidos a nuevas técnicas de obra civil, permiten en la actualidad
rivalizar en costes con la energía eólica de parques terrestres en términos
competitividad. Esta circunstancia se manifiesta especialmente en aguas poco
profundas.
Los costes son indudablemente más altos, pero la producción por maquina
puede llegar a ser un 25% mayor que en las instalaciones terrestres .Los costes
de cimentación y los asociados a la conexión a red, para turbinas de potencia
superior a 1,5 MW representan un incremento de apenas un 10 o 20%, respecto
a los costes requeridos por máquinas de 450 0 500 kW. (Eólica), 2009).
Cabe mencionar que existen tres tipos de cimentaciones para las instalaciones
de aerogeneradores en parques marinos, (figura 36), esto depende de la
profundidad del agua y de las ubicaciones de los aerogeneradores. Se divide en
Aguas pocas profundas, Aguas de profundidad media y Aguas profundas.
60
Figura 36. Tipos de cimentaciones.

Aguas pocas profundas: Con profundidades inferiores a 20 metros, en
ellas
se
emplean
dos
tipos
de
cimentaciones
representativas;
cimentación por base de gravedad y cimentación por monopilote
enclavado.
Estas cimentaciones emplean su propio peso para garantizar la
verticalidad de las máquinas. Se construyen en diques secos ubicados
en las proximidades del emplazamiento del parque y se desplazan a
estos antes de ser rellenados de grava y arena para obtener el peso del
diseño, (figura 37). (Lorenzo, 2004)
61
Figura 37. Cimentaciones, Izq. Monopilote enclavado, Der. Por gravedad .
La estructura del Monopilote, resulta de la prolongación del fuste de la torre del
aerogenerador bajo la superficie hasta la zona del lecho marino, descendiendo
bajo éste a una cota de 10 o 20 metros, según el tipo de terreno. Mientras tanto
es norma general en los parques eólicos marinos el empleo de cimentaciones
por gravedad, con una combinación de hormigón y acero, con un peso final de
cimentación de 1000 toneladas, con profundidades de 4 a 10 metros.

Aguas de profundidad media: Denominadas como tales cuando la
profundidad se encuentra comprendida entre los 20 y los 50 metros, se
emplean entre ellas cimentaciones tipo trípode y trípode alternativo.
(figura 38). (Catejón, 29008)
62
Figura 38. Cimentaciones, Izq. Trípode, Der. Trípode alternativo.
Estas cimentaciones tienen origen es las instalaciones petrolíferas. Con punto
de partida en una prolongación de fuse de la torre de la turbina, introducida de
10 a 20 metros en el lecho marino, en función de las condiciones del terreno y
esfuerzos por hielo y olaje.
En caso del trípode alternativo con profundidades 6 o 7 metros dado el riesgo
de colisión de las embarcaciones de servicio que se aproximen a la torre y la
principal ventaja de una estructura de este tipo es su adecuación a grandes
profundidades. (Aerogeneradores Marinos, 2001)

Aguas profundas: En estas se presentan profundidades superiores a
los 50 metros. Se emplean cimentaciones semi-flotantes muy similares a
las empleadas en las instalaciones petrolíferas de extracción, en las
cuales el aerogenerador se sustenta por una plataforma flotante o semihundida que se fija al lecho marino mediante tensores de acero.
63
El cableado subterráneo que conecta los
parques marinos a la red eléctrica principal
es una tecnología muy conocida. Los cables
submarinos tendrán que ser enterrados para
reducir el riesgo de daños ocasionados por
equipos de pesca, anclas, etc. (figura 39).
Si las condiciones del fondo lo permiten, será
más económico hundir los cables en el lecho
marino (utilizando chorros de agua a presión)
que enterrarlos en el fondo del mar. Los
cables submarinos llevan la energía a un
transformador que la convierte a alto voltaje
(habitualmente, entre 33 y 132 kv) antes de
llevarla a la red de distribución. (Ecofield, Figura 39: Cableado subterráneo
2013)
Singularidades de la conexión a red.
La
subestación
se
dispone
sobre
una
plataforma que recoja la producción de las
turbinas y eleve la tensión al valor adecuado
para el transporte (figura 40). Junto con esta
subestación figuran otras instalaciones de
servicio. La gran capacitancia de los cables
eléctricos tiene la ventaja del suministro de
potencia reactiva a los parques eólicos.
64
Figura 40. Subestación de un Parque
Eólico Marino
Es importante que en este tipo de instalaciones dispongan de un sistema de
ajuste de la potencia reactiva de acuerdo con las condiciones de la red. Una
posibilidad alternativa es emplear conexiones en corriente continua en alta
tensión (HVDC), cuando la distancia a la costa es considerable. (Eólica), 2009)
Conexión de parque eólico marino.
La conexión de una planta de generación renovable a la red pública, (figura
41), introduce límites de operación de dos formas, la regulación del voltaje y el
límite de estabilidad. En la mayoría de los casos, la línea puede considerarse
como una línea de transmisión corta. La capacitancia de tierra y la resistencia
de pérdida de tierras son generalmente despreciables y son ignoradas.
Tal aproximación es válida en líneas de hasta 75 km de longitud. La línea
transporta energía del sitio renovable a la red pública, o de la red al sitio
renovable para cumplir la demanda local. Hay dos efectos principales en la
impedancia de la línea de transmisión, uno en la regulación del voltaje y otro en
la máxima capacidad de transferencia de energía de la línea de conexión.
Figura 41. Esquema representativo de conexión de parque eólico marino
65
VIII. PLAN DE ACTIVIDADES
Tabla 1. Cronograma de actividades.
66
IX.
RECURSOS HUMANOS Y MATERIALES
Para la elaboración del proyecto se llevó a cabo gracias a la ayuda de doctores,
los cuales son miembros del Grupo de Electrónica Aplicada en la Universidad
Nacional de Rio Cuarto, a la ayuda y apoyo de mi compañero de estadía, y
alumno de la Universidad Tecnológica de Querétaro, así como de mi tutora de
la Universidad Tecnológica de Querétaro.

Dr. Daniel G. Forchetti.

Dr. Marcelo Roberto Curtí.

Dr. Guillermo O. García.

M. en I. Clara Cardona Martínez.

Alumno: José Armando Aguilar Uribe.
Además de las Instalaciones del Laboratorio del Grupo de Electrónica Aplicada
(GEA), en la Facultad de Ingeniería, donde se llevó a cabo todo el proceso de
investigación del proyecto.

Computadora (Paquetería básica de Word.)

Escritorio

Libros

Rhinoceros. (Software de diseño e 3D)
X.
67
X.
DESARROLLO DEL PROYECTO.
Capítulo 1.- Investigación del funcionamiento técnico de las
partes que componen los generadores eólicos.
Un generador eólico o aerogenerador, es básicamente un gigantesco molino de
viento conectado a un generador eléctrico que aprovecha la fuerza del viento
para mover las aspas del molino y producir energía.
A mayor caudal de viento mayor cantidad de giros hará la hélice del
aerogenerador, produciendo más energía, (figura 42). Los aerogeneradores
generalmente van conectados al sistema de interconexión eléctrica, de tal
manera que se disponga de la energía generada que inmediatamente se
produce. (Sstentador, 2009)
Figura 42. Funcionamiento de los sistemas eólicos.
68
La energía producida por los aerogeneradores es completamente limpia, no
produce ningún tipo de contaminación ni residuos, por lo que se considera uno
de los sistemas de generación de energía más limpios que existen actualmente.
Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o conectados entre sí
formando un parque eólico, ya sea terrestre o marino.
Funcionamiento técnico.
En este punto del funcionamiento técnico, se muestran los elementos que
forman parte del sistema de un aerogenerador
eólico, explicando
el
funcionamiento de cada uno de ellos y su importancia en el sistema para
obtener así un correcto diseño y un sistema el cual sea óptimo para su
utilización.
Dado que la velocidad de rotación de la
turbina debe ser lo más constante
posible y el viento no lo es ya que tiene
ráfagas y huecos, (figura 43), que es
imprescindible ir ajustando el ángulo de
incidencia
de
las
palas
para
ir
variación
en
la
aire
en
compensando
la
velocidad
viento.
del
El
movimiento impacta las palas y las
hace rotar con los mismos principios
que hacen posible que vuele un avión.
Figura 43. Dirección del viento a través de
las palas de la turbina.
(Forchetti, 2013)
69
En un aerogenerador, uno de los elementos importantes es el buje, componente
del rotor que une las palas con el sistema de rotación y constituye el centro del
rotor, al cual se fijan los álabes, muchos de estos están fabricados de hierro o
acero fundidos.
El buje transmite la energía desde el rotor hasta el generador. Si la turbina
eólica posee caja multiplicadora, el buje se conecta al árbol de baja velocidad
de la caja multiplicadora, convirtiendo la energía del viento en energía
rotacional. Si la turbina es de conexión directa, el buje transmite la energía
directamente al generador, como se observa en la figura 44: (Ener. Ren., 2014)
Figura 44. Izq. Buje de conexión directa, Der. Buje de conexión con caja
multiplicadora.
El buje puede ser de tipo rígido o basculante. En el buje rígido el conjunto de
álabes se atornilla al buje y este se fija rígidamente al eje de giro. Se usa más
en los rotores de tres palas, en los que el rotor está mejor equilibrado. Los bujes
basculantes se emplean para reducir las cargas que se producen sobre él.
70
Este
tipo
de
buje
se
emplea
en
los
rotores
mayoritariamente
bipalas, ya que el pivoteo hace que
se equilibren las cargas en cada
revolución.
(Dennis.ca,
2002)
La
mayoría de los fabricantes usan el
buje
rígido;
esto
lo
hace
más
resistente, reduce el número de
componentes móviles que pueden
fallar y es relativamente fácil de
construir. Además de contar con
Figura 45. Buje rígido con actuadores
pitch.
sistemas de control pitch, (figura 45)
Un sistema de control de pitch de aerogenerador, (figura 46) ubicados en la
parte del rotor, tiene que cumplir dos funciones esenciales: en primer lugar,
comportarse como un actuador para el control de potencia y de velocidad de
cada pala del aerogenerador independientemente, cuando el viento supera los
valores establecidos para el aerogenerador; en segundo lugar, comportarse
como el actuador para el sistema de frenado del aerogenerador.
Figura 46. Sistema de control pitch.
71
El sistema de Yaw alinea la góndola con la dirección del viento, determinada
con una veleta instalada sobre el carenado (figura 47). Estos datos del viento
proveen la base para los movimientos del Yaw, el cual es realizado mediante
motores eléctricos ubicados sobre los dientes del rodamiento de Yaw, que
vincula la torre y la base de la góndola. (Gustavo, 2013)
Figura 47. Sistema de control Yaw.
En el rodamiento principal se genera una diferencia de presiones que produce
la fuerza necesaria para desencadenar el movimiento rotatorio en el eje
principal del generador eólico (figura 48),
Figura 48. Ubicación del eje principal en un sistema eólico.
72
El eje principal se acopla a una multiplicadora, (juego de engranajes) para que
la rotación del eje a la salida de la multiplicadora sea apta para la generación
eléctrica en el generador, de igual manera se pueden encontrar sistemas donde
se opta por evitar el uso de la caja multiplicadora realizando el sistema
utilizando un generador síncrono de imanes permanentes teniendo de esta
manera el acople directo al rotor, como lo muestra la figura 49. (Curti, 2013)
Figura 49. Izq. Caja Multiplicadora, Der. Generador Síncrono de Imanes
Permanentes.
Teniendo características diferentes al tener un sistema eólico ya sea utilizando
cualquiera de los dos componentes mencionados, como lo muestra la tabla 1.1:
Con Caja Multiplicadora
Sin Caja Multiplicadora
Altos costos, Pesada y Ruidosa
Menos densidad de potencia (mayor
peso y mayor volumen)
73
Necesita Mantenimiento
Mayor coste de generador
Principal causante de problemas en los
sistemas eólicos
Se evita la caja multiplicadora (menor
peso y menor volumen)
Tabla 1.1. Tabla de diferencias
En el generador es donde se produce la electricidad, y su principio de
funcionamiento es básicamente el de un motor eléctrico conectado de manera
inversa. Si a un motor eléctrico se le entrega electricidad, este entregará
energía de rotación. Si a un generador se le entrega energía de rotación, este
entrega energía eléctrica. (Forchetti, 2013)
Esta
energía
eléctrica
va
a
un
generador, (figura 50) el cual convierte
la energía eléctrica para transportar la
energía por los cables de la manera
más eficiente posible, con un sistema
de
control
para
conectar
y
desconectar de la red eléctrica.
Figura 50. Generador
Cabe mencionar el uso y funcionamiento de los componentes restantes
básicos que se encuentran en el sistema del aerogenerador, los cuales son
importantes para que el sistema y el diseño, sea correcto y adecuado para su
utilización, como lo muestra la figura 51,
74
Figura 51. Componentes de un sistema eólico con caja multiplicadora.
Freno: El generador eólico cuenta con un
sistema de frenado (figura 52), el cual hace
frenar el aerogenerador cuando se detectan
vientos muy fuertes que comprometen la
seguridad. También es aplicado en las paradas
de emergencia o en paradas de mantenimiento.
(Energizar, 2011)
Figura 52. Freno de disco.
Sistema de enfriamiento: Por el constante
movimiento de rotación y las velocidades del
rango de los 1500rpm, se genera energía
calórica debido a la fricción entre los
engranajes. La temperatura del aceite debe
ser
controlada
con
este
sistema
de
enfriamiento (figura 53), para acondicionar
la temperatura de funcionamiento de la
multiplicadora.
Figura 53. Sistema de enfriamiento.
75
Motores para rotación de la torre: Los
sistemas eólicos cuentan con un sistema
de giro de la torre (figura 54), para que
el viento llegue al rotor lo más de frente
posible. Los sensores meteorológicos
registran de donde viene el viento y le
mandan la señal a los motores eléctricos
para mover al lugar indicado. (Eólica),
2009)
Figura 54. Mecanismo de rotación de la
torre.
Instrumentos meteorológicos: Estos sensores miden la velocidad, la
aceleración y la dirección del viento (figura 55). Toda esta información va a un
sistema que controla la rotación de las paletas, la rotación de la torre, el acople
del generador con la red, las paradas de emergencia, entre otras funciones. Los
principales instrumentos utilizados son:

Anemómetro. Es un dispositivo que mide la velocidad del viento. Sirve
para poner en funcionamiento o detener el aerogenerador, pues éste
sólo funciona en un rango de velocidad del viento. A poca o demasiada
velocidad del viento, las palas se detienen. Generalmente, con vientos
superiores a 5 m/s, un generador se pone en funcionamiento, aunque
todo depende del modelo.
76

Veleta. Aparte
de
la
velocidad,
algunos
aerogeneradores
pueden
saber la dirección del viento
y orientarse respecto a ella.
Figura 55. Instrumentos
Meteorológicos.
Controlador:
información
que
Manejan
la
suministran
la
veleta y el anemómetro (figura 56),
colocados encima de la góndola
para orientar el molino y las palas
de forma que la generación se
optimice lo máximo posible. Toda la
información sobre el estado de la
turbina se puede enviar de forma
remota
a
un
servidor
central.
(Energías Renovables el motor del
Figura 56. Controlador.
nuevo mundo, 2014)
77
Góndola: La góndola es un
cubículo
que
se
puede
considerar la sala de máquinas
del aerogenerador (figura 57).
Puede girar en torno a la torre
para poner a la turbina encarada
al viento. Dentro de ella se
encuentran la caja de cambios,
el eje principal, los sistemas de
control, el generador, los frenos y
Figura 57. Estructura de la Góndola.
los mecanismos de giro de la
góndola.
La torre: Es el elemento estructural que soporta
todo peso del aerogenerador y mantiene
elevadas del suelo las palas de la turbina (figura
58). Hecha de acero y normalmente hueca por
dentro para poder permitir el acceso a la
góndola. Suele ser típicamente de acero de tipo
tubular u hormigón armado (en la actualidad se
suelen utilizar estructuras mixtas). Elevan el
aerogenerador lo suficiente como para que sea
capaz de acceder a velocidades del viento
mayores,
en
contraste
con
las
bajas
velocidades en los puntos cercanos al terreno y
la existencia de turbulencias.
(Forchetti,
2013)
78
Figura 58. Torre de un
aerogenerador eólico.
Para un sistema eólico de acople directo, o bien conocida sin caja
multiplicadora, el generador de imanes permanentes se conecta directo al
adaptador de las palas, como lo muestra la figura 59:
Figura 59. Componentes básicos de un sistema eólico sin caja multiplicadora.
Generador síncrono de imanes permanentes: es un generador síncrono en el
que se ha sustituido el bobinado de excitación, normalmente en el rotor, por un
sistema formado por imanes permanentes que suministran un campo de
excitación constante. (Curti, 2013)
Su funcionamiento dista mucho de ser como un generador síncrono normal. En
un generador usual, se controla la tensión mediante la excitación. En un
generador de imanes permanentes la excitación es constante por lo que al
cargar el generador cae la tensión sin opción de regulación.
79
Este tipo de generador se usa en aquellos casos en los que no importa que la
tensión caiga, en cierto grado o siempre que se aplique electrónica a la salida
del generador. La electrónica puede convertir un rango de tensiones variable en
tensión continua de valor constante. (Obeki, 2005)
SI se usan, por ejemplo, para alimentar los reguladores que actúan en la
excitación de grandes generadores síncronos Su principal beneficio en estos
casos es que cuando hay un cortocircuito en el gran generador síncrono son
capaces de suministrar la energía necesaria al regulador para que este
sobreexcite al generador y poder mantener la tensión el tiempo suficiente para
que salten las protecciones.
Otro gran uso que se da a los generadores de imanes permanentes es en los
sistemas eólicos, (figura 60), el cual evita tener la caja multiplicadora
disminuyendo espacio y peso. (Forchetti, 2013)
Figura 60. Generador de imanes permanentes.
80
2.1 Modelo Dinámico de la Turbina.
La creciente utilización de sistemas de generación de energía renovable ha
provocado un aumento importante en la investigación y desarrollo de
tecnologías. Particularmente, la generación mediante energía eólica es uno de
los más importantes hoy en día.
Un factor determinante en la capacidad de generación a través de energía
eólica es la eficiencia de las turbinas, los cuales entre estos aspectos podemos
encontrar con los aspectos geométricos, los aerodinámicos de la turbina y la
estela turbulenta generada por las palas del rotor. (Lorenzo, 2004)
Como sabemos la turbina es la máquina encargada de convertir la energía
cinética del viento en energía mecánica. La energía del viento es producto de la
energía cinética de las partículas de aire en movimiento. La energía cinética
(Ec) de una masa (m) de aire que se mueve a una velocidad (v), puede
expresarse como:

Al acercarse esta masa de aire a una turbina, representada por el área
transversal (A) de barrido de sus palas (figura 61), se produce una disminución
de velocidad (vd) y, consecuentemente, un aumento de presión en el frente de
la turbina (p+ d):
81
Figura 61. Esquema demostrativo del aire a través del barrido de las palas.
Al atravesar esta masa de aire el área A, se produce una caída de presión
inmediatamente después de la turbina (p−d). Esta presión corriente abajo
recupera su valor normal (presión atmosférica) a costa de disminuir
nuevamente la velocidad de desplazamiento de la masa de aire (v2).
Finalmente, entre secciones lo suficientemente alejadas delante y detrás de la
turbina, no existe cambio en la presión de la masa de aire pero sí un cambio en
su velocidad. (Energuia, 2002)
En lo ya mencionado anteriormente la estela turbulenta generada por el barrido
de las palas (figura 62), es determinante tanto en la eficiencia individual de
aerogeneradores como en la eficiencia global en el caso de parcelas eólicas,
debido a la interferencia entre distintas turbinas. (Salaya, 2013)
Se sabe que la gran mayoría de las pérdidas de eficiencia de las turbinas
eólicas se deben a turbulencias generadas por las palas del rotor, por lo que la
minimización de estas es el objetivo principal de los diseñadores hoy en día.
82
Figura 62. Estela generada por el barrido de las palas.
2.2 Palas de la turbina.
Las
palas
del
principalmente
rotor,
con
construidas
materiales
compuestos, (figura 63). Se diseñan
para transformar la energía cinética del
viento en un momento torsor en el eje
del equipo. La velocidad de rotación
está
normalmente
limitada
por
la
velocidad de punta de pala, cuyo límite
actual se establece por la ley de Betz.
(Energy, 2006)
Figura 63. Pala Eólica - Materiales.
83
Dónde:
1) Desmolde.
2) Hoja de unión.
3) Relleno de vacíos.
4) Unión componente (vórtice, deflector de lluvia y borde de salida del ala)
5) Perno, y perno de pieza metálica de fijación.
6) Sellado.
2.3 “La ley de Betz”
La ley de Betz dice que sólo puede convertirse menos de 16/27 (el 59 %) de la
energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador. Las leyes de
la física, impiden que se pueda extraer toda la potencia disponible en el viento
a su paso por el rotor de un aerogenerador.
El viento a su paso se frena, saliendo del mismo con una velocidad menor que
con la que ha entrado. En la práctica se aprovecha un 40% de la potencia eólica
disponible. La máxima potencia eólica aprovechada la define el Límite de Betz y
por este, una turbina eólica puede convertir en energía mecánica como máximo
teórico, un 59,26 % de la energía cinética del viento que incide sobre ella.
84
Para obtener con un aerogenerador la
máxima potencia del viento, (figura 64),
se deberá frenar al mismo en 1/3 de su
velocidad y la máxima potencia es 0,59
veces la potencia que entrega el
viento. (Windpower, 2003)
Figura 64. Demostración ley de Betz.
2.4 Sistemas auxiliares de la pala.
Los sistemas auxiliares ubicados dentro de la pala del rotor del aerogenerador,
se han modificado al paso del tiempo y ayudado al rendimiento de la pala.
Tomando como ejemplos extremos, sabemos que el cambio del clima en el
transcurso del año es un factor importante, tanto el sol, lluvia, ráfagas de
velocidad de viento muy altas, como el congelamiento del agua en la pala,
puede llegar a dañar y afectar en un punto considerable del sistema.
Es por eso que cabe mencionar que este tipo de sistemas es dado tanto por el
fabricante, tomando puntos y características importantes, como el lugar
geográfico donde se instalara el aerogenerador. En la figura 65, se pueden
observar tres tipos de sistemas que han ayudado al rendimiento de la pala y
que hoy en día en un factor importante en la elaboración de palas, para los
aerogeneradores eólicos. (Gustavo, 2013)
85
Figura 65. Sistemas auxiliares en la pala

Protección contra rayos de una pala de rotor.

Sistema de calefacción eléctrica para rotor de palas de deshielo.

Sección de base de la pala del rotor con el sistema de deshielo con aire
caliente.
86
2.5 Frenado de la pala.
La parada de un aerogenerador es
una
de
las
críticas porque
operaciones más
implica
grandes
cargas para los componentes del
aerogenerador.
En
términos
generales, en los aerogeneradores
con control de “paso variable”, la
operación de parada incluye el paso
de girar las palas con el borde de
salida apuntando en la dirección del
viento
hasta
que
alcanzan
su posición de bandera, (figura 66).
Figura 66. Frenado de pala, posición
bandera.
(Economia de Energía, 2008)
La parada de un aerogenerador puede ser llevada a cabo utilizando diferentes
medios específicos de frenado que pueden ser agrupados en dos categorías,
(figura 67).

Frenos aerodinámicos (frenos neumáticos, flaps en el borde de ataque o
puntas giratorias).

Frenos mecánicos.
87
Figura 67. Izq. Sistema frenado aerodinámico, Der. Sistema de frenado
mecánico.
En los aerogeneradores con multiplicadora de tres etapas, los frenos mecánicos
(típicamente frenos de disco) se colocan normalmente en el eje de alta
velocidad porque el par motor es relativamente bajo en él. Cuando más bajo
sea el par motor, menor será el freno de disco.
En aerogeneradores sin multiplicadora o con multiplicadora de únicamente dos
etapas el par motor será más alto y consecuentemente es necesario que el
freno de disco sea más grande.
2.6 Fabricación de la pala.
Para la fabricación de las palas del aerogenerador, dependerá mucho de los
materiales utilizados por el fabricante. Muchas de las empresas grandes las
cuales se por largo tiempo se han dedicado a fabricar palas, han mejorado
mucho en su sistema de fabricación. (Energy, 2006)
88
La cuales gracias a esto, la incorporación en sus aerogeneradores son de
diseño y fabricación propia, e incluyen la aplicación de las más modernas
tecnologías, como la utilización de componentes en fibra de carbono, el cual
hoy en día es unos de los materiales que principalmente se utiliza para este
tipo de fabricación.
El proceso de fabricación de la pala se divide en cinco etapas importantes, las
cuales en cada una de ellas se lleva un correcto control determinado, y un
sistema de normas de calidad, lo cual se realiza para obtener una pala en
condiciones óptimas y que se pueda llevar al mercado para su instalación.
(Gamesa, 2010)
1. Fabricación de la viga
Tomando
como
materiales
base
compuestos
por
fibra de vidrio y fibra de
carbono, pre impregnados con
resina
epoxi,
se
cortan
distintas telas que se colocan
en un molde y posteriormente
se someten a un proceso de
curado, como se muestra en la
figura 68.
Figura 68. Fabricación de la viga.
89
2. Fabricación de las
conchas
Tras aplicar una capa de pintura
que servirá como protección de la
pala, la fibra de vidrio es utilizada
para la fabricación de las conchas,
(figura 69), siguiendo el mismo
proceso de fabricación que la viga.
Figura 69. Fabricación de las conchas.
3. Ensamblaje
Una
vez
obtenidas
las
dos
conchas, se procede al ensamblaje
y pegado de la viga entre las dos
conchas, (figura 70).
Figura 70. Ensamblaje.
4. Curado
En la figura 71, se muestra el
conjunto
ensamblado
pasa
nuevamente por el horno hasta
formar una unidad compacta.
Figura 71. Curado de la pala.
90
5. Desbarbado y pulido
Desmoldado
el
conjunto
que
constituye la pala, se pasa a la zona
de acabado, donde se terminarán
los bordes de ataque y salida de la
pala, y se realizará una última
revisión de ésta, (figura 72).
Figura 72. Desbordado y pulido.
2.7 Ensayos de resistencia a la pala.
Las palas del aerogenerador son unas de las partes más importantes del
sistema por no decir la más importante, ya que son las encargadas de recoger
la energía del viento, convertir el movimiento lineal de este en un movimiento de
rotación, esta energía es transmitida al buje, del buje pasa a un sistema de
transmisión mecánica y de ahí al generador que transforma el movimiento de
rotación en energía eléctrica.
A cada pala que se fabrica se le pasa por un proceso de ensayos los cuales
ayudan a conocer si la pala está en condiciones para un uso adecuado, además
de realizar una inspección de infrarrojo. (Forchetti, 2013)
91
Test
a estática: Las palas
son
sometidas
a
cargas
extremas durante un tiempo
predeterminado (figura 73),
para probar su resistencia a
la rotura: son flexionadas en
dos direcciones (flapwise &
edgewise) utilizando un ciclo
Figura 73 Test a estática.
próximo a la frecuencia natural
de la pala en cada dirección.
Test dinámico:
Se somete a la pala a oscilaciones
correspondientes con su frecuencia
natural: cinco millones de ciclos
respecto de los dos ejes principales.
Durante las pruebas una cámara de
infrarrojos de alta resolución (figura
74), se usa para chequear si hay
pequeñas roturas en el laminado de
la pala y se registran las medidas de
deformación procedentes de galgas
extensiométricos colocadas sobre la Figura 74.Tes dinámico (cámara de infrarrojos).
superficie de la pala.
92
Test de rotura: Cuando se usa un nuevo material o se ha realizado un cambio
significativo en el diseño de la pala, se realiza adicionalmente un test de rotura,
que no es más que llevar el test estático al caso extremo (figura 75), aplicando
una carga estática creciente en valor hasta lograr que la pala rompa, realizando
los análisis posteriores de la superficie de fractura. (Windpower, 2003)
Figura 75. Test de rotura.
Inspección con infrarrojos (Termografía): Se utiliza para revelar un aumento
de calor local en la pala, (figura 76), Esto puede indicar:
a) Un área con humedecimiento estructural.
b) Un área de laminación o un área que se está moviendo hacia el punto de
rotura de las fibras. (IMPSA, 2011)
Figura 76. Inspección con infrarrojos (Termografía de una pala) Izq. Área con
humedecimiento, Der. Área de la laminación.
93
2.8 Tamaño de la turbina.
La potencia producida aumenta con
el área de barrido del rotor. El área
del disco cubierto por el rotor (y, por
supuesto, las velocidades del viento)
determina cuánta energía se puede
colectar en un año. En la figura 78, se
da una idea de los tamaños de rotor
en aerogeneradores. (Gálvez, 2005).
Como referencia se puede señalar
que
una
turbina
típica
con
el
aerogenerador de 250 kW, que en
este caso es tomado como el más
Figura 78. Tamaño de los
aerogeneradores, dependiendo de su
potencial en KW.
pequeño en tamaño, suele tener un
rotor de unos 27m de diámetro.
Si se dobla el diámetro del rotor, se
obtendrá
un
área
cuatro
veces
mayor. Esto significa que también
obtendrá del rotor una potencia
disponible cuatro veces mayor. Los
diámetros de rotor pueden variar
algo respecto a las cifras dadas en
la figura 79, ya que muchos de los
fabricantes optimizan sus máquinas
ajustándolas a las condiciones de
Figura 79. Tamaño de
aerogeneradores.
viento locales. (Eólica, 2006).
94
Capítulo 3.- Sistema Eólico Investigado, Distribución de vientos
anuales, Energía Anual Generada y Rangos de velocidad.
“Sistema de Generador Eólico de Velocidad Fija- Paso Variable”
En el presente trabajo se desarrolla el estudio y la investigación sobre sistemas
de velocidad fija – paso variable. El esquema que se muestra en la figura 80,
es un aerogenerador de velocidad fija conectado directamente a la red, el cual
está integrado por un generador síncrono jaula de ardilla, un arrancador suave,
(soft- starter) esto para minimizar el impacto a la red, un banco de capacitores
los cuales absorben la potencia reactiva del generador, de modo de protección
a la red, cabe mencionar que el sistema del banco de capacitores dependerá
mucho del diseño y de la capacidad de generador.
Como sabemos la energía cinética del viento que es capturada por las palas es
transmitida por el tren de fuerza hacia el generador de inducción que transforma
esta energía mecánica en eléctrica y la transmite directamente a la red a través
del devanado del estator.
Figura 80. Generador velocidad fija.
95
Las turbinas eólicas de paso fijo se han utilizado durante mucho tiempo en los
sistemas de generación de energía, para baja potencia y potencias media. Hoy
en día, las turbinas de potencia media y alta utilizan palas de paso variable,
mientras que la utilización de turbinas de paso fijo se limita a las aplicaciones de
baja potencia.
Las turbinas eólicas emplean sistemas de control de potencia para adaptarse a
los cambios de velocidad del viento, cuyo objetivo es extraer tanta potencia
como sea posible del viento. En las turbinas de gran tamaño, la potencia
extraída del viento se controla mediante la velocidad de la turbina y mediante el
ángulo de paso de las palas.
Cuando el tamaño de las turbinas es menor, la potencia se controla únicamente
por medio de uno de los dos sistemas: hay turbinas que controlan la velocidad,
pero no el ángulo de paso, y otras que pueden variar el ángulo de paso, pero no
la velocidad
En realidad una turbina no es sólo un área por la cual atraviesa el aire sino que
está compuesta por palas, las que al girar impartirán además un movimiento de
rotación al aire, llamado vórtice.
Estos vórtices reducen el porcentaje de energía mecánica extraíble, por lo que
el coeficiente de potencia de la turbina no alcanzará el límite de Betz. ( figura
81) Se puede decir entonces que el Cp dependerá de la relación entre las
96
componentes de energía de movimiento rotacional y de movimiento
translacional de la corriente de aire.
Cp=
Figura 81. Cp vs ‫ג‬
Esta relación está determinada por, la velocidad tangencial del aire a las palas
de la turbina y la velocidad axial del aire (figura 82), llamándose a este cociente
como relación de punta de pala, ¸ (TSR - Tip Speed Ratio), es decir:
‫ג‬
=
=
Figura 82. ωR vs V
97
Dónde:
T =
la velocidad angular de la turbina. El coeficiente de potencia es
por lo tanto una función de la relación de punta de pala (Cp (‫))ג‬.
Cabe mencionar que la ley de Betz dice que solo se puede convertir como
máximo menos de 16/27 (59%) de la energía cinética en energía mecánica al
utilizar un aerogenerador.
La incorporación del efecto de los vórtices en el Cp (‫ )ג‬hace que deban ser
consideradas las características aerodinámicas de la turbina y, por lo tanto,
también la geometría de las palas que la conforman. En realidad, aún con la
incorporación de la geometría de las palas no es suficiente para obtener un
modelo representativo de la realidad, aunque se puede obtener una buena
aproximación al Cp (‫ )ג‬real. En general una curva real del coeficiente de
potencia debe obtenerse experimentalmente en un túnel de viento.

Pт = 0.5

‫ג‬
Cp (‫)ג‬
.
‫ג‬

Figura 83. Cpmax vs ‫ ג‬opt.
Dónde:
PT= Potencia de la Turbina.
= Densidad del aire.
= Radio de la turbina.
Cp (‫ =)ג‬Coeficiente de potencial.
= Velocidad del viento
= PI
‫ = ג‬Landa
98
Los Sistemas de Velocidad Fija/Variable, son sistemas tradicionales que operan
típicamente a frecuencia fija, impuesta por la red de potencia a la que se
conectan.
Al trabajar a frecuencia constante y por lo tanto a velocidad de rotación fija,
tienen un solo punto de operación donde obtienen el máximo provecho de la
energía del viento. En todo el resto del rango de velocidades, la captura de la
energía se hace de forma sub-óptima.
Para el desarrollo de los diferentes cálculos los cuales se realizaron en el
análisis, se describen uno por uno en los resultados obtenidos. Cabe mencionar
que este análisis se realizó de forma experimental con el objetivo de tener un
conocimiento
mayor
al
funcionamiento
de
un
sistema
eólico
y
al
comportamiento de las curvas que se obtienen en el estudio del sistema eólico.
En función a la velocidad del viento, se sabe que cambia continuamente por lo
que es necesario describirlo gráficamente, como lo describe la figura 102.
99
Capítulo 4.- Dibujar un Aerogenerador Eólico en 3D,
demostrativo.
Unos de los objetivos y alcances mencionados al inicio del proyecto, fue realizar
un diseño de un sistema de generador eólico, el cual sería elaborado en un
software de diseño en 3D. Esto únicamente para uso demostrativo.
El siguiente diseño, fue realizado en Rhinoceros 5.0, un software de diseño en
3D. El diseño es un Aerogenerador pequeño, o bien un sistema eólico de baja
potencia. “Tri-pala”.

Rhinoceros: Es una herramienta de software para modelado en tres
dimensiones basado en NURBS. Es un software de diseño asistido por
computadora, el cual fue creado Robert McNeel & Associates,
originalmente como un agregado para AutoCAD de Autodesk. El
programa
es
comúnmente
usado
para
el diseño
industrial,
la arquitectura, el diseño naval, el diseño de joyas, el diseño automotriz,
prototipos rápidos, ingeniería inversa, así como en la industria del diseño
gráfico y multimedia.
Metodología: El diseño del aerogenerador “Tri-pala” está formado por una
serie de pasos a seguir, los cuales gracias a este proceso se pudo realizar un
diseño correcto y realista, los cuales son:
100
1.) Sacado de vistas
2.) Despieza
3.) Proporciona del diseño
4.) Trazado
5.) Extracción
6.) Ensamblado
7.) Fillets
8.) Renderizar
Desarrollo:
Para la realización del Aerogenerador en el software de diseño en 3D, el paso
más importante fue el bocete del modelo, el cual fue realizado gracias a una
imagen de un aerogenerador real. Posteriormente teniendo el dibujo del modelo
se obtienen las vistas (frontal, lateral y superior) necesarias para el proceso
Imágenes del diseño:
Figura 84. Diseño del aerogenerador.
101
Vistas: (Frontal, Lateral, Superior)
Figura 85. Vistas del diseño.
102
Se hace una lista de las partes del aerogenerador y se comienzan a trazar una
por una en el software, las cuales el siguiente paso era extruirlas, para poder
ensamblarlas pieza por pieza, y de esta forma empezar a dar forma al
aerogenerador, como sabemos que los objetos no tienes esquinas perfectas se
les realizan los Fillets, escaleando el tamaño aproximado real de la pieza.
Ensamble de las piezas
Figura 86. Ensamblaje de piezas.
Siguiendo con el renderizador el cual se llevó a cabo en keyshop 5 (programa
de renderizado o procedimiento de imagen), donde se le agregaron los
materiales, acomodando la vista del ambiente que se le dará al diseño, dando
un toque más realista, agregándole un poco de luces del modelo en Photoshop,
como lo muestra el anexo 7, esto por la falta de detalles que se pudieron
rescatar del diseño original
103
Renderizado:
Figura 87. Renderizado del diseño.
104
XI.
RESULTADOS OBTENIDOS
“Comportamiento de curvas en el sistema”
Calculo del lamba, respecto a Beta
En el primer pasó del análisis se trabajó con una tabla en la cual con base a los
datos específicos de la turbina, (los datos dependerán de acuerdo al diseño y
fabricante) los cuales se muestran en la tabla 1.2.
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
0.22
116
0.4
5
12.5
0.08
0.035
Tabla 1.2. Datos específicos del diseño de la turbina.
Con la fórmula 1.1, se obtuvieron resultados de los Cp max como de los lambda
óptimos, con los que se puede trabajar para diferentes sistemas eólicos
respecto al ángulo de la pala (beta), los cual se trabajó de forma experimental
de acuerdo a la tabla 1.3 - Anexo 1.
(1.1)
105
Dónde:
Cp= Coeficiente de Potencial.
C1 – C7 = Datos específicos de la turbina.
β = Beta
‫ = ג‬Lambda
Ψ = Psi
Una vez obteniendo los resultados mostrados en color rojo, se buscó y se optó
por trabajar con el lamba más alto, el cual nos marca como “lambda = 6.9”.
Curva Cp vs ‫ג‬
La curva de Cp (‫ )ג‬empleada en este proyecto, se muestra en la figura 96. Esta
curva se obtuvo estadísticamente dado a los resultados de la tabla 1.3.
Figura 88. Cp max vs ‫ ג‬max.
106
Se puede observar que en la figura 96, que Cp (‫ )ג‬alcanza un valor máximo (Cp
max), el cual es inferior al límite de Betz, la cual mostrada anteriormente, nos
dice, que solo se puede convertir como máximo menos de (59%) de la energía
cinética en energía mecánica al utilizar un aerogenerador.

Cp max ≈ 0,4197 < 0,593

‫ ג‬max = 6.9
Correspondiente a una relación punta de pala, (‫ג‬max = 6,9), mostrado en la
figura 89. La cual nos muestra gráficamente como el sistema al llegar a su
potencia máxima de la turbina, empieza a frenarse y el cambio del Cp en l
sistema va cambiando y la curva va disminuyendo. Este valor de ‫ ג‬para el cual
el coeficiente de potencia es el máximo aprovechable del sistema eólico Tripala.
Figura 89. Cp vs viento.
107
Mostrando en la figura 93, la curva respectiva a Cp, donde se observa el
comportamiento de la curva cuando el sistema llega a su potencia máxima y al
llegar a una velocidad superior indicada
9.5 m/s en donde la potencia de la
turbina cambia y mi lambda es variable, a diferentes velocidades de viento.
Graficada en la figura 90.
Figura 90. Lambda vs viento
Potencia
La potencia mecánica extraíble del aire de la turbina (Pт) se puede representar
con la fórmula 1.2:

Pт = 0.5
Cp (‫)ג‬
(1.2)
108
Dónde:



PT= Potencia de la Turbina.
= Densidad del aire.
Cp (‫ =)ג‬Coeficiente de potencial.

= PI

= Radio de la turbina.

= Velocidad del viento

‫ = ג‬Landa
A partir de la ecuación (1.2) y de la curva de Cp (‫ )ג‬se pudo obtener la curva de
potencia capturada por la turbina (Pт) en función de la velocidad angular (
para velocidades de viento distintas, como lo muestra la figura 91.
Figura 91. Curva de potencia de la turbina.
109
T
)
Con la obtención del Cp max, y con los parámetros los cuales se trabajó
respecto al sistema, tales como (Radio y Densidad), gracias a la fórmula (1.2),
se obtuvieron los resultados de potencia con la cual el sistema trabajara
respecto a cada velocidad de viento dada, como lo muestra la tabla 1.4. (Anexo
2).
Los parámetros utilizados para la obtención de los datos registrados en la tabla
1.4, y con base a la fórmula 1.2, se puede trabajar representándola de la
siguiente manera:

0.5

=0.5*PI()*$C$2*$C$2*$C$3*$C$4*A13^3/1000
Cp
/1000
Dónde:




$C$2 = Radio
$C$3 = Densidad del aire.
$C$4 = Cp max
A13^3= Viento
Se puede decir entonces que el Cp dependerá de la relación entre los
componentes de energía de movimiento rotacional y de movimiento
translacional de la corriente de aire. Como lo había mencionado antes esta
relación está determinada por la velocidad tangencial del aire de las palas y la
velocidad axial del aire, conocido como relación punta de pala, ‫ג‬
110

‫ג‬
Dónde:



= velocidad angular
Radio
= viento
Potencia Real
Para la curva de potencia real, mostrada en la figura 92, respecto a la curva
registrada por la potencia de la turbina, nos indica que el sistema tiene una
velocidad mínima de arranque, la cual está dada a los 5 m/s. Los datos
registrados se muestran en el anexo 3.
Figura 92. Curva de Potencia Real.
111
Dónde:


Vmin = 5 m/s
Pmax = 2500 [KW]
Como podemos observar, el sistema al llegar a la velocidad mínima, dado a los
parámetros establecido para el análisis, el sistema empieza a generar al punto
que la curva se cruza con la curva de potencia (figura 91). El sistema llega a su
Potencia máxima de 2500 KW con la cual trabaja, llegando al límite donde el
sistema se clava a una velocidad superior de 9.5 m/s,
La figura 93 muestra una relación de Potencia vs Potencial real, en la cual se
muestra en color rojo como el sistema llega a su potencia máxima y se clava,
en otras palabras, el sistema al llegar a su punto máximo de potencia con la
cual puede trabajar,
Figura 93. Potencia vs Potencia Real.
112
Potencia
Potencia Real
Distribución anual de vientos
Tomando los datos registrados por la estación meteorológica, (Anexo 4), la cual
está programada para arrojar datos cada 10 minutos, día por día, mes por
mes, se optó por trabajar
los datos de forma
anualmente, gracias a la
distribución de weibull, como lo muestra la figura 94.
Figura 94. Frecuencia [pu].
Dado a esto, podemos observar que tenemos un rango de velocidad mínima y
velocidad máxima mostrada por la distribución de weibull, (figura 95). La cual
113
indica que nuestro sistema, al inicio del arranque, el sistema no generara, hasta
llegar a una velocidad mínima la cual está dada por 5 m/s, y llegando a una
velocidad máxima registrada hasta 15 m/s.
Figura 95. Frecuencia de Vientos.
De igual manera, se puede mostrar en la gráfica de frecuencia, que en el
trayecto que va de la velocidad min, a la velocidad max, muestra
sistema tendrá vientos de hasta
que el
10,5 m/s, que serán aprovechables.
Estos nos lleva a darnos cuenta que los vientos de 10.5 m/s, serán los que se
muestren de una manera con más frecuencia en el año y que se aprovecharan
en su máximo, dado a las condiciones del sistema. Estos resultados fueron
dados gracias a la Distr. Weibull como se muestra en la fórmula 1.3:

=DISTR.WEIBULL(A13,$L$2,$L$3,$L$4)
(1.3)
114
Dónde:

A13 = Viento

$L$2= Alpha

$L$3=Beta

$L$4=Acumulativo
Frecuencia de Energía.
La frecuencia de Energía, en rangos generales,
nos dice que vientos
registrados al año, se puede obtener mayor energía, esto a comparación con la
figura 94, la cual nos dice que vientos con mayor velocidad se pueden
aprovechar como lo muestra el anexo 5. En esta grafica nos indica que el año
se registra vientos de
14 m/s. (figura 96), con aprovechamiento de energía
mayor con respecto a otros vientos.
Figura 96. Frecuencia de Energía.
115
El resultado de la curva, está dada básicamente a una multiplicación, la cual
involucra, la Potencia (figura 91), por la frecuencia [pu] (por unidad) marcada en
la figura 94, representada en la fórmula 1.4, de manera:
=D13xB13
(1.4)
Dónde:

D13 = Frecuencia [pu]

B13 = Potencia
Energía Anual Generada
Gracias a la distribución de weibull graficada en la figura 94 y con base a los
datos obtenidos por la potencia real, graficados en la figura 92, se obtuvo la
energía generada de cada viento, la cual con base a la ecuación 1.5, se
pudo obtener un registro como lo muestra el anexo 6, donde se pueden
observar los distintos resultados obtenidos de energía, con los cuales se
pudo realizar la sumatoria de energía, arrojando así el resultado del viento el
cual genera más energía en el año, y la obtención de energía generada
anualmente.

E
( )
( )
Dónde:

8670= Horas anuales totales

( )= Frecuencia de vientos

( ) = Potencia Real
116
( )
[Wh]
(1.5)
En la figura 97, se representa la curva de energía, la cual nos muestra que el
viento con más energía generada esta dado a una velocidad de 10,5 m/s.
Figura 97. Curva de Energía.
Obteniendo un resultado de energía anual generada, de 35114133.49 Wh.
De una manera general de representar y mostrar el comportamiento de las
curvas en el sistema eólico de velocidad fija – paso variable, se muestra la
figura 98. Donde nos explica de una manera gráfica, el funcionamiento del
sistema.
117
Figura 98. Grafica del funcionamiento del sistema eólico.
Como se observar la gráfica, la cual está dada a la potencia mecánica versus
la velocidad del viento, representada en tres regiones, donde nos dice de
manera clara cómo se comporta el sistema dado a los parámetros y
condiciones del aerogenerador.
En la parte de optimización de la región uno, nos indica como el sistema al
llegar a su velocidad de arranque, o velocidad mínima, mostrando la curva de
potencia real, graficada en la figura 92. El Cp llega a la velocidad superior
marcada en la región 2, determinada como al llegar a su Pmax, el sistema pasa
a velocidad variable, trabajando ahora con lambda variable.
118
Por ultimo en la región tres, la potencia de la turbina o el Cp cambia, esto dado
a que el sistema no puede aprovechar la potencia máxima de los vientos, sin
embargo sigue generando, dando así como resultado a trabajar a omega
constante y beta variable.
Al estar trabajando a su punto máximo el lambda cambia, y el ángulo de ataque
de la pala comienza a moverse a diferentes grados, dado a diferentes
velocidades de vientos, mostrado en la figura 99.
Figura 99. Comportamiento de la curva de beta.
119
XII.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
Para cumplir con los objetivos marcados en el proyecto, fue necesario, analizar
e investigar las características de conexión tanto en sistemas terrestres como
marinos. Además se determinó el sistema eólico más adecuado el cual fue
propuesto para realizar el estudio, así mismo conocer las características de
dimensión de las palas, el modelo dinámico y el funcionamiento técnico de la
turbina.
Se determinaron cada una de las partes que componen el sistema, tales como:
Dimensiones de las palas, caja multiplicadora, generador de inducción jaula de
ardilla, un arrancador suave, (soft- starter) esto para minimizar el impacto a la
red, un banco de capacitores los cuales absorben la potencia reactiva del
generador, de modo de protección a la red,
Se propone un sistema de velocidad fija – paso variable de un sistema eólico,
trabajado de forma experimental con los datos registrados por la estación
meteorológica, realizando así, análisis y comportamientos de las diferentes
curvas obtenidas en el estudio.
De acuerdo a los resultados obtenidos en el proceso del análisis, y con base a
las características del aerogenerador, se concluyó que el sistema de velocidad
fija – paso variable, a diferencia de otros sistemas de conexión a la red, es un
sistema apto y adecuado para su instalación en cualquier tipo de zona. Sin
dejar pasar que los parámetros de cada aerogenerador será distinto de acuerdo
a cada diseñador y fabricante de sistemas eólicos.
120
Por último, para cumplir con el proyecto se realizó un sistema eólico “Tri – pala”,
de baja potencia, en un software de diseño en 3D, esto únicamente de forma
demostrativa. Cabe mencionar que el diseño se pudo trabajar gracias a un
generador eólico real, se tomaron
parámetros de medidas del generador,
realizando así el boceto del diseño dándole un acabado realista.
Mis recomendaciones con base a la experiencia que pude obtener gracias al
realizar un proyecto de energía eólica, es poder obtener un tipo de capacitación
a este tipo de sistema, como sabemos en muchos lugares del mundo, la
energía eólica es más explotada en comparación a otros.
Es por eso que sería un punto importante seguir tomando en cuenta este nuevo
sistema alternativo, tal vez investigar y estudiar más afondo el funcionamiento y
las características que abarcan no solo el funcionamiento técnico, si no obtener
una información más completa de todo lo relacionado a estas nuevas
tecnologías.
Y que claramente puedan ayudar en muchos aspectos, a miles de jóvenes que
puedan tener la oportunidad de conocer y tener un poco más de conocimientos
de que son y qué futuro tienen las energías renovables en el mundo y que se
den cuenta que podemos hacer algo nosotros por realizar algo para nuestro
país, realizando proyectos limpios y sustentables.
121
XIII. ANEXOS.
Anexo 1. Tabla 1.3 Lamba óptimo – Cp max.
122
123
Anexo 2. Datos registrados de Potencia.
124
Anexo 3. Datos registrados de Potencia Real.
125
Anexo 4. Datos registrados de frecuencia [pu].
126
Anexo 5. Datos registrados de Frecuencia de Energía.
127
Anexo 6. Datos registrados de Energía.
128
Anexo 7. Diseño en 3D. Aerogenerador Eólico
129
XIV. BIBLIOGRAFÍAS.
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