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Contenido: Aerogeneradores. Complementos para la utilización de energía eólica. (quinta parte) El generador eléctrico y el multiplicador. Soporte para aerogeneradores. Dispositivos de almacenamiento.

Generadores eólicos (quinta parte)

Complementos para la utilización de energía eólica

El generador eléctrico y el multiplicador

El aeromotor puede accionar directamente o indirectamente (a través de un multiplicador), dos tipos de generador eléctrico:

Estos transformarán la energía mecánica en energía eléctrica, teniendo en cuenta las pérdidas ocurridas dentro el generador.

La fórmula de la transformación de energía es:

M·ω = i·U

M: par del aeromotor (N·m)

ω: velocidad de rotación (rad/s)

i: corriente proporcionada por el aerogenerador (A)

U: tensión (V)

Generador de corriente contínua (dínamo)

La máquina está formada por dos partes bien diferenciadas:

Para recuperar esta energía, el inducido va provisto de un colector, que en la mayoría de los casos va provisto por dos sectores aislados de 180°

Dos escobillas, situadas una frente a otra, se ponen en contacto sucesivamente con el sector A después con el sector B, lo que permite que la corriente circule siempre en el mismo sentido en la utilización. En realidad, el colector consta de un gran número de sectores, que corresponden a otros tantos conductores, pero su papel es el mismo: hacer circular una corriente de igual sentido por todos los conductores de un mismo polo.

Si se considera que ese flujo producido por la bobina de excitación es constante (máquina compensada), la corriente proporcionada es proporcional a la velocidad de rotación. La relación entre la tensión en bornes de la máquina y la corriente es:

u = E - R·i

E: fuerza electromotriz de la dínamo.

R: resistencia de inducido.

i: Corriente suministrada a la carga.

Sección de un generador de contínua, dínamo.

Inducido simplificado de una dínamo

Generador síncrono de corriente alterna

La máquina consta de las siguientes partes.

• La bobina de excitación que crea el campo magnético en el cual el entrehierro es móvil, es el rotor accionado por el aeromotor. Puede ser de dos tipos:

• El inducido, en el que se recupera la energía, solidario a la carcasa, y conectado a la utilización. Este al estator, y puede ser monofásico o trifásico. El trifásico permite obtener una tensión alterna casi sinuosidal (curva representativa de los valores del seno) y, por tanto, mejor rendimiento

Ventajas e inconvenientes.

El principal inconveniente de la dínamo es la presencia de escobillas y colectores, que requieren un mantenimiento periódico. Por otra parte, la dínamo es más pesada y cara que un generador de corriente alterna.

Pero no necesita ningún dispositivo complicado para la carga de baterías.

Un simple diodo, (válvula de vació termodiónica formada por dos electrodos; conectada a un circuito permite el paso de la corriente en un solo sentido), que soporte la intensidad nominal de la dínamo, será suficiente para evitar que la batería pueda ser cortocircuitada por el inducido, cuando esté parado.

El alternador, principalmente del tipo de rotor de imanes permanentes, presenta muchas ventajas. Su mantenimiento es nulo debido a la total ausencia de piezas en rozamiento. Para una misma potencia es más ligero y económico.

Pero debe girar a una velocidad más elevada y más estable que la dínamo (en general 3.000 RPM) y además requiere un rectificador para la carga de baterías. A pesar de los inconvenientes propios de alternador, su utilización está generalizada, excepto para aeromotores de pequeña potencia, en los que la estabilidad de la velocidad de rotación no es suficiente.

En general, se utilizan alternadores trifásicos de imanes permanentes.

El multiplicador.

Se comprobó que el empleo de alternadores obliga a utilizar un multiplicador.

Efectivamente, los rotores de diámetro superior a los 5 metros, tienen velocidades de rotación demasiado bajas ( < 200rpm) para poder accionar directamente un alternador clásico.

Por tanto, para estas máquinas, es imprescindible intercalar un multiplicador entre el aeromotor y el generador.

Hay tres tipos de multiplicador que pueden utilizarse con los aeromotores:

En todos los casos, las dientes helicoidales aseguran un mejor rendimiento y también un funcionamiento más silencioso.

• Nota: Se han realizado algunos sistemas para aumentar la velocidad de rotación del generador, sin multiplicador, como pueden ser:

Pero estos sistemas nunca han pasado del estado de prototipo.

Tipos de multiplicadores.

Recuperación de la energía en el soporte fijo

Máquinas sin multiplicador

El generador eléctrico está siempre colocado en la parte móvil de la máquina. La energía eléctrica se transmite al soporte fijo mediante un conjunto de colectores y escobillas, generalmente sobredimensionados para evitar pérdidas inútiles por resistencia en los contactos demasiado elevada.

Máquinas con multiplicador.

En este caso, puede estudiarse la solución del multiplicador colocado en la base, sobre todo para la recuperación de la energía mecánica. El multiplicador tiene entonces dos ejes perpendiculares, el eje horizontal y el vertical. Pero los problemas de estancamiento en el eje vertical son graves. En el caso de recuperación de energía eléctrica, interesa siempre utilizar el sistema de colectores escobillas.

Protección contra los rayos

Los aerogeneradores se colocan generalmente en puntos elevados, y además deben ser más altos que los obstáculos de sus alrededores. Por tanto, frecuentemente constituyen los puntos de descarga de electricidad estática durante las tormentas.

Aunque, por propia constitución el generador está protegido contra las descargas eléctricas, por estar encerrado en una estructura metálica conectada a tierra (caja de Faraday), la instalación a la que está conectada puede ser destruida por las sobretensiones que se propagan por el cable eléctrico de alimentación colocado entre el aerogenerador y la utilización. El generador eléctrico puede resultar dañado por contracorriente, en caso de que la utilización quede en cortocircuito.

Por tanto, para emplazamientos expuestos a posibles descargas atmosféricas, es indispensable:

  1. Conectar la torre soporte a una buena toma de tierra (inferior o a igual a 3 ⇔)
  2. Colocar disyuntores de gas en el punto de conexión de la utilización, con los cables eléctricos del aerogenerador. La tensión de cebado de los disyuntores debe ser aproximadamente el doble de la tensión máxima del generador eléctrico:

Estos disyuntores deben estar conectados a la toma de tierra por una línea lo más directa posible.

Soporte para aerogeneradores

Los aeromotores de pequeña y mediana potencia, pueden estar colocados en dos tipos de soporte:

1) Soportes autoportantes:

2) Soportes atirantados:

Los soportes atirantados abatibles

El empuje en la parte superior del soporte es debido principalmente al arrastre del rotor, sobre todo si el sistema de regulación empleado es de arrastre máximo, cuyo valor es:

T: empuje en la parte superior del soporte (N)

m: masa volumétrica o densidad del aire (1,25 kg/m³)

S: superficie barrida por el rotor [m²]

V: velocidad del viento (m/s)

Cx: coeficiente de empuje.

Remplazando:

S = 0,7375 m²

V = 7 m/s

Cx = 0,025

Resultado:

T = 0,56 nt

Siempre que el terreno lo permita, es aconsejable utilizar un soporte atirantado basculante, que facilite el mantenimiento del aeromotor y del mismo soporte, en el suelo y por tanto con una mayor comodidad y sin peligro.

Empleando elementos tubulares, muy utilizados en los circuitos de distribución, y las bridas de unión normalizadas, la construcción de un soporte de hasta 15 m es simple y menos costoso que el soporte autoportante.

Debe realizarse un atirantamiento con cuatro vientos, inclinados 45° con un cable de acero galvanizado, y de forma que el punto de anclaje sobre el soporte sea lo suficientemente bajo para no impedir el giro del rotor. La unión de los cables al suelo, debe hacerse a través de tensores que permitan regular la tensión de cada cable.

Cualquiera que sea el tipo de soporte utilizado, hay que tener en cuenta:

⇑ aspaAltura torreAltura anclaMastil maniobrasSección cable
2 m
5 m
15 m
15 m
14,2 m
13 m
3,6 m
4,5 m
11 m
20 m

Dimensionado de soportes atirantados y basculantes

Nivelación de los puntos de anclaje al suelo.

Nos referimos aquí a los cables que se emplean para las maniobras de elevación y abatimiento de la torre soporte. Se emplean dos cables laterales para guiar la trayectoria de bajada y otros dos para subir o bajar el soporte.

Los tensores permiten variar ligeramente la longitud de los cables, pero es insuficiente, y por tanto es indispensable colocar los cables laterales en el mismo plano horizontal que el pie del soporte, y alinearlos con el eje de basculamiento de dicho pie.

La posición del anclaje de los otros dos cables es menos importante. en terreno inclinado, debe colocarse el anclaje correspondiente al dispositivo de elevación (torno de tambor o cabría de fricción) en el punto menos elevado de los dos, ya que así se disminuirá el esfuerzo inicial.

Torre atirantada abatible.

Dispositivos de almacenamiento

Dado que una característica esencial del viento es su discontinuidad en el tiempo, se han realizado diversos estudios destinados a desarrollar sistemas que permitan almacenar la energía producida por el viento y no utilizada directamente durante los períodos de producción a fin de restituir una parte, la mayor posible, durante los días de calma.

Este aspecto de la energía eólica es, aún hoy, uno de los que más frenan su desarrollo, ya que este almacenamiento, tanto más importante cuanto más irregular sea el régimen de vientos, constituye frecuentemente una parte importante ( > 20 %) del costo de una instalación de producción de energía eléctrica a partir del viento.

En esta obra daremos, sólo a título informativo, una breve descripción de los dispositivos de almacenamiento, exceptuando las baterías de acumuladores clásicos, que trataremos con más detalle ya que siguen siendo el sistema más fácil y a menudo más económico (relativamente) para almacenar energía eléctrica en pequeña cantidad.

Hay que remarcar que todos los dispositivos de almacenamiento, incluidas las baterías de acumuladores, tienen rendimientos entre el 70 y el 80 %.

Acumuladores de plomo

El tipo de acumulador de plomo que conviene utilizar, fue puesto a punto de 1.860 por Planté. Desde entonces no ha sufrido más modificaciones que las destinan a mejorar sus prestaciones, pero el principio de funcionamiento sigue siendo el mismo.

1) Construcción

2) Principio fundamental de funcionamiento

3) Durante la descarga, el ácido sulfúrico del electrodo se descompone:

Si la descarga es demasiado profunda, se forma sulfato de plomo incapaz de descomponerse por reacción inversa durante la carga, y las placas negativas se "sulfatan" (se vuelven blanquecinas).

Durante la carga, el fenómeno es exactamente el inverso, y cuando está del todo cargado se llega a la electrólisis del agua con desprendimiento de hidrógeno en el cátodo. Esquemáticamente tenemos:

PbO2 + 2·H2SO4 + Pb → 2·PbSO4 + 2·H2O

El electrolito, pues, participa estrechamente en las reacciones.

Una particularidad del acumulador de plomo, es su sensibilidad a las reacciones secundarias: acción del ácido sulfúrico sobre el plomo y el óxido de plomo, corrientes locales ocasionadas por la constitución heterogénea de las placas, sobre todo en las placas positivas en las que la fuerza electromotriz debida al contacto plomo-óxido de plomo es elevada.

El resultado de todo es la autodescarga y sulfatación progresiva de las placas.

Otra característica del acumulador de plomo es la variación de materia activa a lo largo del ciclo de carga-descarga:

Todo lo expuesto hasta aquí tiene por objeto dejar patente la importancia de la vigilancia adecuada del estado de carga o descarga de una batería de plomo para conservarla en buenas condiciones de funcionamiento, ya que una carga o descarga excesivas provocan el rápido envejecimiento del acumulador.

El rendimiento de la batería conveniente, cuando las instalaciones se alimenten exclusivamente de la energía almacenada en las baterías, distribuir la descarga de las mismas, y no descargarlas simultáneamente siempre que sea posible (ver también las características de los fabricantes).

Todos cuando antecede es cierto para los acumuladores son preferibles las baterías de tipo estacionario o semi-fijo de 2 V por elemento y no las baterías de arranque (para automóviles), que tienen una vida útil más corta, capacidad nominal más baja y sobre todo, que soportan mal los ciclos de carga-descarga.

Conclusiones:

A pesar de los inconvenientes que presenta, en particular la necesidad de no sobrecargarlo ni descargarlo en exceso, el acumulador de plomo de tipo semifijo es actualmente el mejor adaptado y más económico para su empleo con aerogeneradores. Para minimizar las pérdidas de rendimiento debidas al paso por el sistema de almacenamiento, el usuario de energía eólica debe realizar la instalación y adaptar su funcionamiento de manera que puede utilizar el máximo de energía de salida del aerogenerador.

Ejemplo:

En las zonas en que el viento sopla regularmente cada día, puede aprovecharse el período de producción de energía eólica para bombear agua a un depósito situado por encima del nivel de utilización, de forma que ésta se distribuya después por gravedad.

Emplear los aparatos eléctricos (sierra, taladro …):

  1. Directamente desde la salida eléctrica del aerogenerador, si éste nos proporciona corriente en formato industrial (220 V o 380 V)
  2. O bien utilizando un convertidor (giratorio o estático) conectado directamente a la salida del rectificador

• Nota: Reposición de acumuladores de plomo de tipo semifijo cuyas placas puedan sacarse del recipiente (generalmente de vidrio).

Cuando las placas de una batería están sulfatadas (tono blanquecino para las placas negativas y claro para las positivas), puede conseguirse una des-sulfatación con una serie de cargas a baja intensidad, reemplazando el ácido por agua (destilado o de lluvia). Esta se enriquece con ácido y antes de la puesta en servicio del elemento se le añade el necesario para conseguir la concentración adecuada.

Cuando se desea dejar una batería en reposo durante varios meses, es necesario guardarla en estado de plena descarga reemplazando el ácido por agua destilada.

Determinación de la capacidad de la batería de acumuladores.

Para garantizar el suministro de energía en la utilización con un mínimo de discontinuidad, la batería de acumuladores deberá estar correctamente determinada. Para ello necesitamos conocer:

  1. Los datos meteorológicos del emplazamiento. Cuanto más exactos sean estos datos, mejor será la determinación de la batería de acumuladores
  2. La potencia del aerogenerador de que dispone la instalación
  3. La potencia media consumida por la utilización (P). Esta potencia debe tener en cuenta todos los aparatos alimentados con energía eléctrica proveniente de la batería de acumuladores, y sus turnos, es decir el número de horas que funciona cada uno al día

Todos los fenómenos que hemos citado, tienen carácter aleatorio:

Para un dimensionado exacto, hay que recurrir a una simulación de funcionamiento de la instalación, mediante ordenador. Los datos esenciales son las velocidades de viento que proporciona el SENAMHI, en formato directamente aplicable al ordenador, siempre que estos sean aplicables a nuestro emplazamiento. Estos métodos requieren procesos engorrosos y caros, y normalmente se recurre a cálculos más sencillos, como el que describimos a continuación:

Designemos por N1 el período más largo durante el cual el viento ha sido inferior al viento productivo (V < Vd). No se tendrán en cuenta aquellos períodos excesivamente largos que no se repitan más de 4 veces durante un año, ya que el hacerlo conduciría a sobredimensionar la batería, con el consiguiente sobrecosto.

Y por N2 el período más largo durante el cual el viento se ha mantenido entre el productivo (Vd) y de nominal (Vn). Cuando el viento alcanza la velocidad nominal o de regulación, el aerogenerador da su potencia nominal.

En general se toma una autonomía para las baterías, en días N, inferior o igual a 1,25 N1:

N ≤ 1,25 N1

En efecto, el coeficiente de N1 depende de la importancia de N2 frente a N1

Si N1 N2, los vientos serán débiles muy frecuentemente, y por tanto conviene tomar N = 1,25 N1

Este valor de N nos permite calcular la capacidad de la batería en watt-hora.

Capacidad de la batería:

CWh = N·24·Pm (Pm = potencia media total) Resulta: 8.649 w/h

CWh = N·E (E = energía total)

Teniendo en cuenta la tensión Ub elegida par la batería de acumuladores, en función de los aparatos y de la tensión nominal del aerogenerador, la capacidad vendrá dada por:

CAh = CWh/Ub

Resultado:

CAh = 360,375 amp/h

Esta capacidad debe ser compatible:

Con la intensidad de corriente máxima que puede suministrar el aerogenerador (Imáximo = Pmáximo/Ub) que se debe ser inferior a CAh/10.

Imáximo < CAh/10.

Resultado:

Imáximo = 41,67 amp

41,67 < 36,0375

Para las baterías de plomo;

Con un coste y dimensiones aceptables para la batería de capacidad suficiente para la autonomía deseada de n días.

En caso en que el valor hallado para CAh se a demasiado elevado, será necesario disponer de una fuente de emergencia mayor, o buscar otro emplazamiento con régimen de vientos más favorables, si es que es posible.

Control del estado de la carga de la batería de acumuladores. Circuitos asociados (Control manual)

Aerogenerador equipado con generador de corriente contínua.

Contiene los siguientes dispositivos de protección, en serie con el circuito de carga de la batería de acumuladores:

Empleando un amperímetro de cero central, podemos medir la corriente suministrada por el aerogenerador y la consumida por la utilización, pudiendo verificar así los cálculos de autonomía.

Circuito de gobierno y maniobra asociado a una aerogenerador con dínamo.

Aerogenerador equipado con alternador.

El diodo es sustituido por un rectificador monofásico o trifásico según el alternador utilizado.

Entre el alternador y el rectificador, puede intercalarse un transformador para adaptar la tensión de salida del alternador a la de la batería de acumuladores.

En todos los casos, el estado de carga de las baterías, debe ser comprobado periódicamente, verificando la concentración del electrolito del acumulador con un ácido graduado en densidad o en grados Baumé.

Circuito de gobierno asociado a una aerogenerador con alternador.

Empleo de un contador de ampere-hora

Cabe mencionar que existe un mecanismo de control automático, el cual es bastante complejo por lo cual obviaremos su explicación en la tesina.

Otra posibilidad, válida para cualquier tipo de generador, consiste en emplear un contador reversible que nos dé en cada instante el número de Ah almacenados en la batería. Este contador va provisto de los índices regulables que pueden colocarse en los niveles de frecuencia elegidos como umbral de carga o descarga. Estos índices, asociados a contactos, pueden gobernar:

Además, el contador está afectado por el rendimiento de la batería, cuyo valor puede elegirse en el momento de instalarlo.

Pero estos contadores presentan graves inconvenientes:

Valores de las tensiones de final de carga y descarga

Las indicaciones más importantes vienen especificadas por el fabricante: por una parte, para las tensiones y, por otra, para la densidad volumétrica.

Sin embargo, las siguientes indicaciones, permiten conseguir una regulación adaptada al tipo de utilización.

Valor de la tensión de final de carga.

El valor de la tensión cuando "hierve" un elemento acumulador de plomo de tipo semifijo es de 2,35 V aproximadamente, a 25 °C. Si se elige este valor como límite de final de carga, el consumo de agua por electrólisis será verdaderamente importante en caso de largos períodos de viento. La elección del valor umbral de final de carga, dependerá de las características propias de la instalación:

  1. El régimen de vientos: un régimen de vientos regular permite acercarse al funcionamiento en flotación y el nivel final de carga se alcanzará difícilmente. Es el régimen de funcionamiento más favorable, pero desgraciadamente no el más generalizado. Un régimen de vientos irregular implica el funcionamiento de la batería en ciclos de carga-descarga. el nivel de final de carga se alcanza frecuentemente, y es importante que la regulación está bien hecha
  2. Capacidad de la batería de acumuladores (C) con relación a la corriente de la In del generador. Cuanto mayor sea la relación C/In, menor será el riesgo de que la batería se sobrecargue en régimen de vientos irregulares
  3. Tipo de utilización. Es más favorable un funcionamiento continuo que secuencial

Por tanto el funcionamiento de la instalación será más satisfactorio cuanto más regulares sean el régimen de vientos y la utilización, ya que entonces nos acercaremos más a una utilización directa de la energía producida por el aerogenerador, sin pasar por la batería de acumuladores.

Regla práctica: Para los emplazamientos en los que predomine el funcionamiento por carga y descarga, se ajustará el nivel de corte de la corriente de carga al máximo en función del consumo de agua. Se ha visto que el consumo normal de agua es aproximadamente de 0,18 litros por mes para un elemento de 2 V y de 1.000 Ah.

Cualquiera que sea el ajuste, es importante que al final de la carga, la densidad del electrolito alcance el valor especificado por el fabricante de la batería.

Valor de la tensión de final de descarga por elemento.

Depende del tipo de acumulador empleado, pero para acumuladores plomo de tipo semifijo es importante no descender por debajo de los 1,8 V por elemento, para evitar la formación de depósitos de óxido no soluble en la recarga y, por tanto, una disminución importante de la capacidad. El valor de 1,8 citado, es un mínimo para una corriente de descarga inferior o igual a C/10. Este valor de tensión corresponde a una densidad volumétrica del electrolito de 1.180 kg/m³.

Además de los fenómenos de oxidación, el electrolito de las baterías descargadas se congela a temperaturas más altas. Según el emplazamiento, el valor elegido como umbral de descarga deberá tener en cuenta la posibilidad de congelación del electrolito, que puede provocar la rotura de los recipientes en los que están colocadas las placas y el electrolito.

Por otra parte, este valor de 1,8 V por elemento puede ser incompatible con el buen funcionamiento de los aparatos de instalación; en tal caso, el final de descarga vendrá evidentemente condicionado por el nivel de no funcionamiento de los aparatos.

Las fuentes de emergencia

Las fuentes de emergencia deben proporcionar energía a la utilización en caso de ausencia de viento o avería en el aerogenerador.

En algunos casos, no es posible cortar la alimentación de la utilización, aunque la batería está totalmente descargada. Un ejemplo pueden ser las estaciones de teletransmisión (teléfono, teleseñalización, telecontrol, …).

Entre las estaciones alimentadas por un aerogenerador y que dispongan de fuente de emergencia hay que distinguir aquellas que tengan un consumo medio inferior a 4 A de las que la tengan superior.

• En el primer caso, una batería de pilas químicas, generalmente alcalinas (potasa) con despolarización por aire, es la solución más adecuada ya que es el tipo de pilas que proporciona la energía eléctrica más económica. Su vida útil, en servicio, es de 3 años.

La tensión nominal por elemento es de 1,2 V. La tensión necesaria para el funcionamiento de la instalación se consigue conectando en serie los elementos necesarios.

La corriente nominal necesaria para la alimentación de la utilización puede conseguirse por conexión en paralelo de varias series de elementos. Pero siempre es preferible emplear pilas que den la corriente necesaria, para evitar que, en la conexión en paralelo, unas series puedan descargarse en otras.

• En el segundo caso es necesario utilizar un motor térmico, debiendo distinguir dos tipos:

En el caso en que la energía eólica se emplee para alimentar una vivienda aislada, el grupo diesel presenta la ventaja de adaptarse al consumo de los aparatos que deben funcionar con corriente alterna y de potencia elevada. En los otros casos, el grupo puede usarse para recargar parcialmente la batería de acumuladores.

Siempre que sea posible debe evitarse la instalación de una fuente de emergencia, ya que son caras y si la instalación está bien dimensionada, su uso será muy poco frecuente.

Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet)

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