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Generadores eólicos (primera parte) EN06

Contenido: Aerogeneradores. Distintas clases de aeromotor. Aeromotor de eje horizontal bipala. Estación eólica. Torre de soporte. Almacenamiento de la energía producida. Meteorología. (primera parte)

GENERADORES EOLICOS

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Bolivia como país desde el punto de vista económico se encuentra en una posición muy baja, con respecto al desarrollo del continente en su totalidad.

Al ser esta posición desfavorable, las consecuencias internas son grandes y variadas, e inciden directamente en la población y sus medios de subsistencia. Uno de estos medios es irreparablemente la energía eléctrica; en Bolivia el tendido eléctrico es reducido y no abastece la necesidad humana, por varias razones entre las cuales la más importante quizás sea la densidad del factor humano (6,48 hab./km²), la lejanía entre urbes y la mala distribución del mismo.

JUSTIFICACION

La tesina esta dirigida hacia la búsqueda de mejores recursos alternativos y económicos que abastezcan las necesidades imperantes en el olvidado altiplano boliviano como ser la dotación de energía eléctrica.

La energía de tipo eólica ha dado muy buenos resultados en países desarrollados; este no es el caso de Bolivia debido a que el aprovechamiento de ese recurso tan disponible e inagotable como es el viento no ha sido difundido de una manera significativa; pero, la construcción de un aeromotor casero es sencilla y barata con su consecuente aprovechamiento económico. Por lo tanto mediante este trabajo se busca el proponer una posibilidad de obtener electricidad casera, vale decir a mediana escala, para poblaciones rurales alejadas del cableado eléctrico e incluso para zonas urbanas que deseen un medio limpio y relativamente sencillo de abastecimiento.

HIPOTESIS

"Es posible, aprovechar la energía eólica, en el altiplano, como un medio alternativo de abastecimiento interno de energía eléctrica a mediana escala dentro las fronteras de la población rural."

GENERALIDADES

AEROGENERADORES: ENERGIA ACCESIBLE

Los aerogeneradores, tienen diversas aplicaciones específicas, ya sea eléctricas o de bombeo de agua, mediante el aprovechamiento y transformación de energía eólica en energía mecánica. Se entiende por energía eólica a los vientos que existen en el planeta producto de fenómenos que se estudiaran más adelante.

Esta energía, es inagotable, no contamina; y aunque la instalación de uno de estos aparatos es relativamente costosa y morosa, a la larga se sentirán los resultados positivos, especialmente en el campo económico.

Un punto que vale hacer notar, es la autonomía frente a la fuente más cercana accesible, que en este caso es la Empresa Nacional de Energía (ENDE). Esta última no siempre se presenta en los pueblos alejados, por el costo que supone instalar una red hacia aquellos.

HISTORIA DE LOS AEROGENERADORES

Es importante destacar e interesante además, algunas fechas dentro de la tecnología eólica y de la utilización de aeromotores.

En el s. V a.C. se encuentran los primeros aeromotores en Asia: son máquinas de eje vertical iguales a las denominadas panemonas de algunas islas griegas. Más o menos por la misma época, en Egipto se utilizaban molinos de eje vertical para moler grano y bombear agua, también en la zona de Sijistán entre Irán y Afganistán.

Todos estos molinos tenían el mismo principio: transformar la energía eólica en energía para el bombeo de agua y la molturación del grano entre otras.

En el siglo VII d.C. se da origen a los primeros modelos rústicos de los clásicos molinos holandeses que hoy en día son mecánicamente sofisticados. O los aeromotores para el bombeo de agua que progresa con la invención de las multipalas en 1870 por los americanos.

Fue en el año 1802 cuando Lord Kelvin trató de asociar un generador eléctrico a un aeromotor para la producción de energía eléctrica.

Hacia el año 1920 la energía eólica obtiene cierto éxito, pues habían trescientos constructores de estos aparatos.

El estudio en los campos de la aerodinámica permitió alcanzar enormes progresos en los aeromotores, esto hasta el año 1961; desgraciadamente en ese año el precio del petróleo bajó, poniendo al kilowatt "eólico" a precios inaccesibles. Todas las máquinas fueron desmontadas y vendidas al precio de chatarra.

Desde el año 1973 ocurre el proceso inverso, impulsando programas de estudio y realización de aerogeneradores. La demanda en países industrializados es mínima. Pero no obstante la demanda en países tercermundistas aumentó de nivel, esto por el obvio bajo costo de producción e instalación de estos aparatos en comparación a las ganancias retribuidas.

En Bolivia, existen aeromotores de bombeo particulares, pero hasta ahora, no se hizo ninguna prospección, para la instalación de los aerogeneradores eléctricos o estos trabajos nos son desconocidos.

DISTINTAS CLASES DE AEROMOTOR

Se definen en general, los aeromotores según la posición de su eje de rotación, con relación a la dirección del viento.

Así se dividen en:

1) Aeromotores de eje horizontal.

* Con el eje paralelo a la dirección del viento.

* Con el eje perpendicular a la dirección del viento.

2) Aeromotores de eje vertical.

3) Aeromotores que utilizan el desplazamiento de un móvil

1) Aeromotores de eje horizontal.

Eje paralelo a la dirección del viento.

Son las máquinas más difundidas, y con rendimiento superior a las demás. Incluyen aquellas de 1,2,3 o 4 palas, además de las típicas multipalas para el bombeo de agua.

Debemos distinguir aquellas de "cara al viento" y aquellas que tiene sus palas situadas de "espalda al viento".

Los aerogeneradores, generalmente van provistos de rotores bipala o tripala (cara al viento), para potencias inferiores a 1 kW (P<1 kW). Y de espaldas al viento para potencias superiores a 1 kW (P>1 kW).

Eje horizontal perpendicular a la dirección del viento.

Los aerogeneradores más significativos de eje perpendicular a la dirección del viento, son el de perfil oscilante y el sistema de captación con palas batientes.

Estos sistemas se han estudiado ampliamente, también se construyeron prototipos; pero presentan más inconvenientes que ventajas; en especial necesitan sistemas de orientación igual a los de eje horizontal paralelo al viento. La recuperación de energía es en generalmente complicada y no presenta un buen rendimiento.

2) Aeromotores de eje vertical.

Son presumiblemente, las primeras máquinas que se utilizaron para la captación de energía eólica,ya que son más sencillas que las de eje horizontal; no necesitan ningún sistema de orientación. Lo que constituye una ventaja constructiva. En funcionamiento las palas, los rodamientos y los ejes, no están sometidos a esfuerzos importantes por cambios de orientación. Son de fácil construcción.

El rendimiento es mediocre (el rotor Savonius un 20% del límite de Betz). No se experimentó un gran desarrollo en estos aparatos.

Existen 3 grandes familias de aeromotores de eje vertical.

a) Aeromotores Savonius.

Esencialmente utilizan el arrastre diferencial creado por las palas que pueden ser de diversas formas. El par de arrastre

es elevado, pero la velocidad máxima es claramente inferior a la de los rotores de eje horizontal.

b) Aeromotores Darrieus.(patentes/1931)

Emplea la sustentación de las palas y están caracterizados por débil par de arranque y velocidad de rotación elevada que permite la recuperación de una gran potencia.

Para mejorar el par de arranque se pueden acoplar otro tipo de rotores haciéndolo mixto (Savonius-Darrieus).

Este tipo de máquinas son susceptibles de competir con los aeromotores rápidos, bipalas y tripalas de eje horizontal; son objeto de estudio y desarrollo.

RAZON DE LA ELECCION DEL AEROMOTOR DE EJE HORIZONTAL BIPALA

Los aeromotores de eje horizontal paralelo a la dirección del viento, son los más extendidos, por tener el mejor rendimiento en relación a la energía máxima recuperable, conocida como límite de Betz. En esta tesina, nos limitaremos de este tipo de aeromotores para la generación de electricidad.

CONFIGURACION DE UNA ESTACION EOLICA

Cualquier estación eólica destinada a la producción de energía eléctrica tiene según el siguiente organigrama esta configuración:

Organigrama de una estación de suministro de energía por aerogenerador.

CONSTITUCION DE UN AEROMOTOR

Un aeromotor está constituido por las siguientes partes:

1. Un aeromotor de dos palas (o tres, no es nuestro caso), provisto de un sistema de regulación, que confiera al rotor una velocidad de rotación estable a partir de cierta velocidad del viento, y un sistema de seguridad destinado a frenar la máquina en caso de tempestad, si el sistema de regulación es inoperante a altas velocidades.

2. Un generador eléctrico que puede estar:

- directamente acoplado al aeromotor. En el caso más sencillo las palas van directamente montadas en el eje del generador.

- acoplado a un multiplicador, colocado entre el aeromotor y el generador. Se verá que la velocidad de rotación depende del diámetro del rotor y disminuye cuando el diámetro aumenta. Entonces para tener un buen rendimiento, es necesario aumentar las revoluciones del aeromotor antes de acoplarlo al generador.

3. Mecanismo de giro, que permita a la máquina estar siempre orientada en la dirección del viento, cualquiera que sea esta. La energía producida en la parte móvil, se transmite por medio de un dispositivo colector asociado al mecanismo de rotación.

4. Cárter o armazón, que envuelva y proteja a todas las piezas del conjunto del los factores climáticos.

5. Una cola, en el caso de que la máquina funcione de cara al viento, para obtener una orientación según los movimientos de la masa de aire.

En la siguiente figura se representa al aerogenerador de cara al viento con las partes descritas:

Aerogenerador con aeromotor "cara al viento"

TORRE DE SOPORTE DEL AEROGENERADOR

Es importante su construcción por varias razones, la cual es mecánicamente sencilla.

1. Su altura. El aerogenerador debe estar situado por encima de las perturbaciones causadas por el terreno. La instalación de la torre en el altiplano boliviano no será necesariamente muy alta, debido a la peculiaridad de la configuración geográfica en esta zona.

2. Su frecuencia. Cualquier máquina giratoria es siempre asiento de vibraciones; es por tanto, esencial que la frecuencia propia de la torre sea muy diferente a la frecuencia de las vibraciones (fundamentales y armónicas),engendradas por el aerogenerador.

3. Mantenimiento. El acceso a la torre debe ser fácil para su buen mantenimiento. En nuestro caso la torre abatible es la que mejores bondades presenta.

4. Robustez. La torre deberá resistir las sobrecargas producidas, como ser: esfuerzos ocasionados por funcionamiento anormal, ráfagas de viento, y turbulencias.

5. Forma. Preferiblemente no angular, para evitar esfuerzos innecesarios en la misma torre mejorando así el flujo de corrientes de aire.

DISPOSITIVO PARA EL ALMACENAMIENTO DE LA ENERGIA PRODUCIDA

La estación eólica deberá disponer de un medio para el almacenamiento de la energía producida,esto con el fin de abastecimiento en períodos de calma atmosférica. En general el medio más accesible para este propósito son los acumuladores de plomo.

Vale hacer notar que una parte importante de la inversión esta dirigida a este campo. Aproximadamente de un 20% a 50% del total del costo.

FUENTE ENERGETICA DE APOYO

Según la capacidad del aerogenerador, su utilización y los regímenes de viento, puede ser necesario el uso de fuentes de apoyo.

1. Para garantizar el funcionamiento continuo de la instalación en caso de fallo en el aerogenerador.

2. Para disminuir el uso de almacenadores.

A este objetivo, se perfilan dos grandes representantes:

1. Motores de explosión (combustión interna), a diesel o gasolina u otro derivado del petróleo.

2. Batería de acumuladores cargada por células fotovoltaicas.

DISPOSITIVO PARA VIGILAR EL ESTADO DE LAS BATERIAS DE ACUMULADORES

A pesar de ser los acumuladores de plomo el medio más barato y fácil de instalar, necesitan una vigilancia muy severa.

Los acumuladores de plomo, son extremadamente sensibles a regímenes de descarga y sobrecarga prolongados. Por lo tanto es indispensable instalar un sistema manual o automático de vigilancia.

Este dispositivo deberá asegurar prioritariamente:

1. El corte de la corriente de carga de la batería cuando está completamente cargada.

2. La conmutación del circuito de utilización hacia la fuente de apoyo, si existe, cuando la batería esté descargada.

3. La protección de los distintos elementos de la instalación mediante fusibles.

4. Los medios para medir el buen funcionamiento de la estación (valor de la corriente de carga, de la tensión dada por aerogenerador, etc.).

METEOROLOGIA

EL VIENTO

La finalidad de este subtítulo es tratar de manera superficial, aquel fenómeno tan perceptible pero que pasa tan desapercibido ante nosotros, el viento. Se abordará solamente algunas características del viento que serán útiles para la construcción de los aeromotores; además se hará una referencia a las características del viento altiplánico y se tomará como ejemplo las cercanías de la ciudad de Oruro, por tener este lugar características semejantes a la región en su totalidad.

ORIGEN DEL VIENTO

La atmósfera constituida esencialmente por oxígeno, nitrógeno y vapor de agua, se caracteriza por su presión, que varía con la altura.

La radiación solar se absorbe de manera muy distinta en los polos que en el ecuador, a causa de la redondez de la tierra. Es pues la energía absorbida en el ecuador mucho mayor a la de la absorbida en los polos. Estas variaciones de temperatura, provocan cambios en la densidad de las masas de aire, por lo que se desplazan en diferentes latitudes. Estas traslaciones se realizan desde las zonas en que la densidad del aire (presión atmosférica) es alta en dirección a las de baja presión atmosférica.

Se establece así, cierto equilibrio por transferencia de energía hacia las zonas de temperaturas extremas, que sin esto serían inhabitables. Existen otros desplazamientos que se ejercen perpendicularmente a la dirección del movimiento de las masas de aire, hacia la derecha en el hemisferio norte, y hacia la izquierda en el hemisferio sur.

Sin embargo, estas direcciones, están frecuentemente perturbadas por:

* las tormentas que desvían la dirección dominante, como se hace patente en registros.

* los obstáculos naturales,bosques, cañadas, depresiones, etc.. Estos obstáculos modifican la circulación de las masas de aire en dirección y velocidad.

* las depresiones ciclónicas que pueden desplazarse en cualquier dirección, pero de hecho, tienen ciertas direcciones establecidas, superponiéndose,al sistema general de presión atmosférica.

El viento se caracteriza entonces, por dos grandes variables respecto al tiempo: La velocidad y la dirección. La velocidad incide más directamente que la dirección en el rendimiento de la estación.

VELOCIDAD DEL VIENTO-VARIACIONES DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO EN EL TIEMPO

Fenómenos instantáneos: Ráfagas

Son difíciles de caracterizar; para tener una idea aproximada de estas variaciones, se necesitan registros meteorológicos de vientos periódicos, de por lo menos 20 años hacia atrás.

No obstante, nosotros contamos con un registro de estos fenómenos instantáneos de hace 10 años,estos datos fueron recogidos por SENAMHI (Servicio Nacional de Meteorología) con sub- base en Vinto (Oruro). Estos datos se encuentran en el Anexo 6.2.

Por lo tanto, cuando se quiere utilizar la energía eólica, es importante tener en cuenta las ráfagas. Así, las variaciones bruscas de la velocidad del viento originan variaciones muy considerables de la energía aplicada al aeromotor.

Un viento presentado en ráfagas, impondrá condiciones que se deberán tener en cuenta durante la utilización del aeromotor y en el cálculo de su soporte; casi todos los sistemas de regulación tienen generalmente una inercia muy superior a la duración de una ráfaga.

En el lugar de emplazamiento se presentaron ráfagas de hasta 22 m/s. Ver Anexo 6.2.

Fenómenos diarios.

Se deben a los fenómenos térmicos producidos por la radiación solar. Las variaciones de temperatura con la altitud crean corrientes ascendentes. La velocidad media del viento es más débil por la noche, con pocas variaciones. Aumenta a partir de la salida del sol y alcanza su máximo entre las 12 pm. y las 16 pm. horas de T.U.

En las afueras de la ciudad se puede hacer tangible esta afirmación, pues a partir de las 12:00 la velocidad del viento aumenta de manera considerable hasta más o menos con variaciones leves hasta las 23:00 horas estos datos se encuentran en el anexo 6.2.

"El Viento Foehn". Si el viento recorre un sector montañoso se ve obligado a elevarse, lo que comporta la condensación y la lluvia. El calor perdido por el vapor de agua pasa al aire. En la otra vertiente de la montaña será seco y cálido. Este caso es particularmente aplicable a la planicie precedida por los Andes de la región altiplánica de Oruro.

El viento "Foehn".

Fenómenos estacionales.

Fenómenos mensuales.

Las variaciones mensuales dependen esencialmente del lugar geográfico y solo las estadísticas meteorológicas pueden predecir estas variaciones.

Según el SENAMHI, y como se ve en el Anexo 6.2.. Los meses más ventosos generalmente, son: septiembre, octubre, noviembre, diciembre y enero; con velocidades de 6 a 8 m/s. estos son promedios mensuales, por lo que las velocidades representadas tiene notable diferencia con las velocidades reales diarias.

Fenómenos anuales.

Las variaciones anuales son periódicas con buena precisión en los datos, de modo que de un año a otro, es posible hacer una buena evaluación de la energía eólica recuperable en un lugar determinado.

Las masas de aire que se mueven en Oruro tienden a disminuir de velocidad con el transcurso de los años. Tomaremos como ejemplo el registro de Noviembre de 1990 la velocidad registrada fue de 6.82 m/s y de Noviembre de 1995 que fue de 6.51 m/s.

Variaciones de velocidad del viento con la altitud.

Dependen esencialmente del relieve del terreno por el cual se mueven las masas de aire. Estas variaciones se pueden representar por la ley:

donde V1 y V2 representan las velocidades horizontales del viento a las alturas h1 (altura de la torre) y h2 (altura del radio de las palas del aeromotor). El exponente θ caracteriza al terreno. En la siguiente tabla se encuentran los valores de θ para diferentes tipos de terreno agrupados en cuatro familias.

Remplazando:

h1 = 12 m.

h2 = 2,5 m.

θ1 = 0,08 (mínima)

θ2 = 0,12 (máxima)

Resultado:

V2/V1 = 1,13 (mínima)

V2/V1 = 1,21 (máxima)

Naturaleza del terreno

Irregularidades del suelo, h0 en milímetros.

Exponente θ

1. Llano: altiplano

2. Poco accidentado: pastos, cultivos

3. Accidentado: bosques

4. Muy accidentado: ciudad

0 a 20

20 a 200

1000 a 1500

1000 a 4000

0,08 a 0,12

0,13 a 0,15

0,20 a 0,23

0,25 a 0,40

Con θ = 0,096 lg h0 + 0,016(lg h0)? + 0,24

Esto muestra que los lugares más interesantes para la recuperación de energía eólica son los poco o no accidentados, para los cuales el exponente θ es bajo. En efecto se beneficia de velocidades elevadas cerca del suelo y la variación de la velocidad con la altura es mínima. Esto tiene como consecuencia la disminución de los esfuerzos cíclicos sobre las palas del aeromotor cuando esta girando. Esta consideración más importante cuanto mayor sea el diámetro del rotor.

En general el altiplano de Bolivia, en la parte Este es casi totalmente llano, con algunas elevaciones pequeñas entre montaña y montaña. Especialmente en la zona de Oruro se presenta un embudo demarcado por las serranías Sancaré y las faldas de la Cordillera Real. Este embudo viene desde el departamento de la Paz. Por tanto el exponente θ es bajo; beneficiable para al recuperación de energía eólica.

En esta zona semidesértica existen pequeñas elevaciones geográficas (cerros, montes) que pueden ser aprovechados en favor de la energía recuperable. Al colocar el aeromotor en una pequeña cuesta existe un aumento de velocidad de hasta el 20% del original.

VARIACIONES DE ORIENTACION DEL VIENTO EN EL TIEMPO

Variaciones instantáneas de dirección: turbulencias.

Son características propias de lugares con terreno accidentado que perturban las masas de aire. Estas variaciones instantáneas imponen esfuerzos muy severos a todos los aeromotores de eje horizontal.

Este como se ha visto anteriormente no es nuestro caso, aunque existen ciclones y anticiclones, que son dignos de tomar en cuenta al momento de probar el aeromotor. Los ciclones se producen cuando existe una corriente tropical al este de una corriente polar, por efecto de la rotación de la tierra, tenderán a separarse quedando entre ellas una zona de vació que derivará en un sistema de bajas presiones, si las corrientes son muy potentes se forma un ciclón, de forma que el aire caliente se dirija al centro en sentido contrario a las manecillas del reloj. El anticiclón procede de una corriente tropical al oeste de una polar en el que las presiones disminuyen del centro para afuera y las corrientes que salen lo hacen en sentido igual al de las manecillas del reloj.

Variaciones estacionales.

A cada estación le corresponde una dirección general del viento. Siendo esta muy particular al lugar en que se estudie tomando en cuenta la latitud y longitud en que se encuentre.

En la alcarria, se presentan las siguientes características estacionales:

* Verano: Los vientos tienen una dirección predominante de Este; Noreste; Norte.

* Otoño: Los vientos tienen una dirección predominante de Este; Norte.

* Invierno: Los viento tienen una dirección predominante de

Norte; Noroeste.

? Primavera: Los vientos tiene una dirección predominante de

Norte.

Los datos se detallan en el Anexo 6.2.

IMPORTANCIA DE ESTOS FENOMENOS PARA LA INSTALACION EOLICA

El buen funcionamiento de la máquina requiere de un estudio profundo del lugar en función de los fenómenos antes explicados.

En el caso de utilización de aeromotores de pequeña y mediana potencia, la instalación esta adherida a los elementos desfavorables siendo estos en la mayoría de los casos insuperables. Ahí es donde el altiplano encuentra su funcionalidad dentro el proyecto, por sus características favorables.

MEDICION DE LAS VELOCIDADES DEL VIENTO

Antes de comenzar la explotación de una estación de energía eólica, en un lugar dado, es necesario disponer de un mínimo de datos sobre las características del viento en dicho lugar. Este estudio debe ser llevado con datos anteriores a tres años en un determinado lugar.

LUGARES DE EMPLAZAMIENTO DE LOS AEROMOTORES

Para todo tipo de aeromotor la elección del emplazamiento es un elemento determinante, los parámetros varían según la potencia del aeromotor.

1. Para las grandes máquinas (P>100 kW), el número de emplazamientos es casi limitado, puesto que el criterio esencial de elección es: el coste de la unidad de energía kilowatt hora (kW.h) producida debe ser competitiva con otras fuentes de energía. Es por lo tanto necesaria una gran cantidad de energía potencial y también un previo estudio profundo del viento en diferentes partes del lugar de emplazamiento.

2. Para pequeñas potencia (P<10 kW); el número de emplazamientos es también limitado, puesto que el criterio esencial es en este caso es la proximidad al usuario. No es indispensable una gran cantidad de energía potencial.

Trataremos desde ahora, criterios para la elección de emplazamientos para pequeños aerogeneradores. Es decir no teniendo en cuenta el precio del terreno.

DETERMINACION DEL EMPLAZAMIENTO

Potencial eólico

La evaluación de la energía recuperable en un lugar debe conocerse o estimarse antes de cualquier otro trabajo. El usuario debe estar seguro de si el viento puede abastecer sus necesidades energéticas, y que la inversión no será desproporcionada al rendimiento del aeromotor.

Es necesario un pequeño estudio económico cuando en el posible emplazamiento se dispone de otra fuente de energía; como una línea de distribución, etc. Aunque este sería un estudio con una aplicabilidad de grandes envergaduras.

Entendiendo que este trabajo tiene como finalidad presentar una alternativa razonable de tipo energética a la zonas rurales, y sabiendo que la extensión altiplánica es enorme entre puntos poblados. Sería poco razonable dar datos irreales sobre los costes de instalación de un tendido eléctrico desde las urbes a los ya mencionados poblados. El aerogenerador proyectado es de tipo general es decir este puede ser instalado en cualquier punto favorable, entre las cordillera real y occidental.

Los siguientes gráficos muestran las prestaciones del potencial eólico en un lugar no designado.

Las abscisas pueden graduarse en %.

Las ordenadas pueden graduarse en kw/m².

Curvas de duración de velocidades.

Consideraciones sobre el lugar de instalación cuando no se dispone de estadísticas apropiadas.

Medios para medir la velocidades del viento: existen algunos aparatos para esta medición, pero el más utilizado es el anemómetro de cazoletas cuya rotación es más rápida cuanto mayor sea la velocidad del viento, hallándose en un registrador eléctrico que genera datos lineales (eoleograma).

Las lecturas de velocidad deberán hacerse a una hora fija (se harán todas las medidas a una misma hora y lugar).

Obstáculos de los alrededores.

Perturbaciones del viento con el terreno.

(Cada vector representa la dirección y el valor de la velocidad a la altura considerada).

I---Colinas de pendientes suaves y cima redondeada: lugar muy favorable, el incremento de velocidad puede llegar a un 20%.

II--Colinas de pendientes fuertes y cima acantilada: lugar provocante de la destrucción del aeromotor en un tiempo breve.

III-Peñón, árbol, edificio, casa, etc. Producen mucha turbulencia.

En el suelo las perturbaciones aumentan con el viento.

Cuando se conozca la viabilidad de la energía eólica, será necesaria una selección del emplazamiento en función de las distancias a los posible obstáculos y sobre todo en dirección de los vientos predominantes.

Siempre que sea posible, se emplazará el aeromotor en lugares no perturbados por los vientos dominantes y en caso contrario a una distancia que depende de la forma del obstáculo y su tamaño.

Torre (cuadrada o cilíndrica) :10 veces el diámetro.

Muro :10 veces la altura.

Arboles :6 veces la altura.

Aeromotor cercano:

6 veces el diámetro (min)

 

12 veces el diámetro (máximo)

En el caso particular del relieve se debe hacer el emplazamiento en lugares poco accidentados.

El objetivo de este estudio es evitar las tensiones variables con el tiempo en velocidad que son dañinas para la máquina a corto o mediano plazo.

Dada la geografía plana del altiplano boliviano y siendo los vientos predominantes constantes, se podría afirmar que este lugar es muy apto para la recuperación eólica en cualquier punto de su extensión; esto desde el punto de vista teórico.

DETERMINACION EN RELACION A ELEMENTOS FAVORABLES

1. La mínima vegetación posible.

2. Colinas de poca pendiente (ver figura), o estrechamientos de valles.

3. Naturaleza del terreno para los cimientos de la torre. Sería perfecto si el terreno fuera rocoso. Se estudiará en particular la torre abatible.

4. Medios de acceso fáciles para el mantenimiento y construcción.

5. Proximidad del usuario o del almacenamiento; cuanto más cortas sean las transmisiones eléctricas, menos perdidas habrá, por ejemplo la caída de la tensión ?U se puede determinar por:

Longitud del cable entre el aerogenerador y el consumo en metros.

s Sección del cable en m².

f Resistividad del material utilizado.

Cobre: 1,8Å

Cobre: 1,8*10-8W m.

Aluminio: 2,7*10-8W m.

I Intensidad nominal en amperios.

n Número de conductores según sea monofásico o trifásico.

TORRE DE SOPORTE

Se determina la altura que muchas veces es el único parámetro que se puede variar en los aeromotores pequeños ya que los demás parámetros precedentes son muy poco variables.

La altura dependerá de los obstáculos circundantes. Según la ley de variación del viento en función de la altura y de los criterios de turbulencia; la altura se determina por el siguiente criterio:

En los lugares favorables el soporte tendrá una altura mínima de 6 metros.

Más fácil y económico es disponer de una torre abatible. Los lugares que pueden proporcionar el máximo de energía anual sin crear problemas mecánicos son aquellos en los cuales los vientos son regulares con una velocidad media de 6 a 8 m/s.

MOTOR EOLICO

EL AEROMOTOR: ESTUDIO TEORICO
ENERGIA SUMINISTRADA POR EL VIENTO

La energía que el viento proporciona es una forma de energía cinética, en función de la masa y de la velocidad de un determinado volumen de aire. Si se considera que la masa por unidad de volumen o densidad del aire es constante se puede afirmar que la energía proporcionada por el viento está en función de su velocidad.

La energía cinética de una masa de aire en movimiento es igual a:

m: Masa de volumen de aire dado (kg)

V: Velocidad instantánea del viento (m/s)

Ec: Energía cinética (Joule)

Remplazando:

m = 1,25 kg/m³

V = 7 m/s

Resultado:

Ec = 30,72 joule

Supongamos: un artefacto para recuperar esta energía que tenga una superficie de captación S. Asumiendo la hipótesis de que la velocidad del viento es constante en cualquier punto de la superficie S, el volumen de aire que atraviesa la superficie S en 1 segundo es igual a VS.

La energía teóricamente recuperable en un segundo (potencia) será pues igual a:

m: Masa de volumen de aire que pasa S en 1 segundo

mo: Masa por unidad de volumen (densidad del aire) (1,25 kg/m3)

VS: Volumen de aire que atraviesa la superficie S (m²)

Por unidad de tiempo (s). (m3/s)

P: Potencia obtenible (Watt)

Por tanto, la potencia disponible a partir de una superficie S es:

 

mo: Masa por unidad de volumen (densidad del aire) (1,25 kg/m3)

S: Superficie de contacto (m²) V: Velocidad del viento (m/s)

P: Potencia obtenible (Watt)

Remplazando:

S = 5 m.

V = 7 m/s

Resultado:

P = 1071,87 watts

Desgraciadamente, no se puede captar toda esta energía ;ya que la velocidad del viento, una vez atravesada la superficie de captación, no es nunca nula y el teorema de Betz demuestra que la máxima energía recuperable (teóricamente), es igual a 16/27 (~60 %) de la energía total.

Tomando como densidad del aire (mo) un valor medio de 1,25 kg/m³, la potencia máxima teóricamente recuperable por un aeromotor de superficie S es igual a:

S: Superficie de contacto (m²) V: Velocidad del viento (m/s)

P: Potencia obtenible (Watt)

Remplazando:

S = 5 m

V = 7 m/s

Resultado:

P = 634,56 watts

En el caso de un rotor, la superficie S es la barrida por las palas. Si el diámetro de las palas es D, el límite de Betz es:

V: Velocidad del viento (m/s)

D: Diámetro de las aspas del aeromotor (m)

Remplazando:

D = 5 m.

V = 7 m/s

Resultado:

P = 2486,77 watts

Luego la potencia suministrada por un aeromotor es proporcional:

- al cuadrado del diámetro o radio del rotor

- al cubo de la velocidad del viento

La energía proporcionada por un aeromotor adquiere la forma de energía mecánica se puede utilizar directamente (bombeo) o transformar según la necesidades y posibilidades (electricidad, calor, etc.).

Además el límite de los diferentes aeromotores está limitado por todos los rendimientos propios de las diferentes transformaciones:

El rotor: 0,20 < n > 0,85

El multiplicador/reductor: 0,7 < n < 0,98

El generador eléctrico: 0,80 < n <0,98

El transformador: 0,85 < n < 0,98

El rectificador: 0,9 < n < 0,98

Las baterías: 0,7 < n < 0,8

Las pérdidas en las líneas de conducción: 0,9< n < 0,99

n = régimen nominal

Por otro lado, el rendimiento de cada elemento depende del régimen de funcionamiento de la máquina,o sea, de la velocidad de rotación del rotor. Ello implica que, fuera del régimen nominal, aún disminuye más el rendimiento global del sistema.

Límite de Betz para diferentes diámetros del rotor.

Para los aerogeneradores clásicos, actualmente comercializados, el rendimiento varía entre el 30% y el 50% del límite de Betz.

Hay que destacar que, entre los aerogeneradores de potencia superior o igual a 100 kW, citados al principio de ésta tesina, los rendimientos eran en general, más elevados, ya que cada etapa transformadora se había proyectado cuidadosamente. Por ejemplo, la máquina número 0 de la NASA (ERDA) tiene un rendimiento del 82% del límite de Betz, lo cual es, sin duda, muy elevado.

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