Índice
Objetivos del Módulo ... 1
1. Tecnología de aerogeneradores de pequeña potencia ... 2
Introducción ... 2
Definición de rangos ... 3
Conceptos básicos de aerodinámica ... 3
Curva característica: la curva de potencia ... 4
Criterios de clasificación de los aerogeneradores ... 5
1. Aerogeneradores de eje horizontal ... 5
2. Aerogeneradores de eje vertical ... 6
Componentes del aerogenerador de pequeña potencia ... 6
Rotor ... 7
Sistema de regulación de potencia y de la velocidad de rotación ... 7
Sistema de Frenado ... 8 Sistema de Orientación ... 8 Generador eléctrico ... 9 Control electrónico ... 9 Torre soporte ... 10
Normativa de mini-eólica ... 10
Introducción ... 10Normativa internacional (CEI) ... 11
Trabajo en la Agencia Internacional de la Energía (AIE) ... 12
Experiencias de fabricación en LAC ... 12
Resumen del capítulo 1 ... 13
2. Caracterización y evaluación del recurso eólico ... 14
El viento ... 14
Fases para la caracterización ... 15
Exploración ... 15
Campaña de medidas ... 16
Parámetros básicos ... 17
Análisis estadístico inicial de datos ... 18
Producción energética teórica ... 19
Caracterización del recurso eólico en LAC ... 22
Resumen del capítulo 2 ... 23
3. Sistemas con mini-eólica ... 24
Introducción ... 24
Sistemas aislados <> sistemas conectados a red ... 24
El acoplamiento en potencia como origen de las configuraciones básicas ... 25
Posibles componentes en sistemas con mini-eólica ... 27
Otras formas de generación renovable: fotovoltaica y mini-hidráulica ... 27
Control del sistema o control supervisor ... 28
Sistema de almacenamiento de energía ... 28
Grupo electrógeno ... 29
Los consumos ... 30
Configuraciones básicas de sistemas con mini-eólica ... 31
Sistemas conectados a red ... 31
Sistemas aislados: sistemas con acumulación de energía eléctrica; camino en continua ... 31
Sistemas aislados: sistemas eólico-diésel; camino en alterna ... 33
Sistemas aislados: sistemas sin acumulación de energía eléctrica ni grupo electrógeno... 35
Resumen del capítulo 3 ... 36
4. Aplicaciones de mini-eólica ... 37
Sistemas conectados a red ... 37
Acumulación: depende del marco normativo ... 37
Control: el del aerogenerador ... 38
Consumos: depende de la gestión y del marco retributivo ... 38
Integración de mini-eólica en entorno urbano: niveles de integración ... 38
Experiencias en aplicaciones de mini-eólica conectada a red en Latinoamérica y Caribe ... 39
Sistemas aislados con acumulación en baterías ... 39
Otras formas de generación renovable: fotovoltaica, muy frecuente; hidráulica, menos ... 40
Acumulación: baterías... 40
Control: distintas posibilidades ... 40
Grupo auxiliar: de apoyo ... 41
Diseño de sistemas aislados híbridos ... 41
Normativa para sistemas aislados híbridos ... 42
Experiencias de electrificación rural con sistemas con baterías y con pequeña eólica en Latinoamérica y Caribe ... 43
Sistemas colectivos (mini-redes) con diésel. Sistemas eólico-diésel ... 47
Otras formas de generación renovable: admite, pero no son frecuentes ... 47
Control: supervisor ... 48
Grupo electrógeno: imprescindible ... 49
Consumos: conviene incluir cargas regulables ... 49
Experiencias de electrificación rural con sistemas eólico-diésel en Latinoamérica y Caribe ... 50
Sistemas eólico-agua ... 52
Acumulación: se almacena un producto de la generación eléctrica. ... 52
Control: imprescindible, pero sencillo ... 52
Grupo electrógeno: puede existir ... 52
Consumos: cargas regulables, no dedicadas ... 52
Experiencias en aplicaciones de pequeña eólica con agua en Latinoamérica y Caribe ... 52
Resumen del capítulo 4 ... 53
Glosario ... 54
Bibliografía y referencias recomendadas... 56
Páginas Web ... 57
Índice de tablas ... 58
Mini-eólica
Aerogeneradores de pequeña potencia
Objetivos del Módulo
La tecnología de generación eólica se basa en el aprovechamiento de la energía cinética del viento. Este aprovechamiento se ha realizado durante siglos, en forma de energía mecánica en aplicaciones como barcos de vela, molinos de viento, etc., pero ha sido durante el último siglo fundamentalmente cuando se ha utilizado además para producir electricidad. En las últimas décadas hemos asistido a un desarrollo vertiginoso de grandes instalaciones eólicas conectadas a la red eléctrica convencional, denominadas comúnmente parques eólicos, e incluso hoy en día se trabaja con gran ahínco en la implantación de instalaciones similares pero en el mar.
No obstante, a pesar de este importante desarrollo en la tecnología de generación eléctrica a partir del viento a gran escala, existe otro rango de aplicación a una menor escala que es lo que se suele denominar mini-eólica o tecnología eólica de pequeña potencia.
El objetivo principal de este curso es familiarizar al lector con la tecnología eólica de pequeña potencia, particularizada para su utilización en la región LAC.
Para ello, para la familiarización con esta tecnología, básicamente es necesario adentrarse en tres áreas de conocimiento: la tecnología eólica y, más concretamente, las particularidades del rango de pequeña potencia; la caracterización del recurso eólico, la fuente de la cual procede la energía eólica; y por último los posibles usos, los distintos sistemas donde se puede conectar un pequeño aerogenerador.
Para el primer área de conocimiento, se revisarán de forma simplificada los principios esenciales necesarios para comprender cómo funciona la tecnología eólica, para pasar a las particularidades de la tecnología eólica de pequeña potencia. A pesar de que tanto la tecnología eólica de pequeña potencia como la de gran potencia aprovechan el viento para producir electricidad, existen importantes diferencias entre ambas aplicaciones relativas tanto a la eficiencia, como a la viabilidad económica y a la caracterización del recurso.
Dentro del segundo área de conocimiento, el viento, el recurso eólico, se mostrará cómo conseguir información sobre el recurso eólico, ya sea mediante campañas de medida de viento o mediante el uso de mapas eólicos, y qué tipo de tratamiento debe hacerse de esta información. Dicha revisión incluirá las herramientas necesarias para calcular la energía generada por un pequeño aerogenerador.
En cuanto al tercer área de conocimiento, el sistema, la aplicación, se mostrarán las configuraciones más frecuentes donde se suelen instalar pequeños aerogeneradores, con los otros componentes que pueden aparecer en el sistema, tales como: generador fotovoltaico, baterías, electrónica de potencia y consumos. Así mismo se darán las pautas para diseñar un sistema en el que se incluya este tipo de tecnología.
Y, por supuesto, Y todo ello enfocado en el área LAC. Se incluye en el curso una actualización sobre la actividad en mini-eólica en la región, tanto en lo que se refiere a fabricación, caracterización del recurso eólico o instalación.
1. Tecnología de aerogeneradores de
pequeña potencia
En este capítulo se da una breve revisión de los conceptos fundamentales para entender el funcionamiento de un aerogenerador, así como las nociones básicas para comprender las diferencias entre los distintos tipos de aerogeneradores existentes. Puesto que este curso trata sobre sistemas con energía eólica, el aerogenerador será un componente siempre presente en nuestras configuraciones. Esto no significa que tenga que ser siempre así en un caso real. En un caso real, habrá que seleccionar la mejor solución de abastecimiento eléctrico, y ésta puede que incluya un aerogenerador o no. Pero aquí sólo se estudian, de todas las posibles soluciones, aquellas que sí incluyen aerogenerador.
Introducción
Además del gran interés despertado por los grandes parques eólicos en el rango de los multimegavatios, los mercados para sistemas eólicos de pequeña potencia (tanto aislados como conectados a red) pueden resultar atractivos si los precios de la electricidad y de los combustibles fósiles son suficientemente elevados o si, como ocurre en muchos países en vías de desarrollo, la distancia a la red eléctrica más cercana es muy grande.
Sin embargo, a pesar de la madurez alcanzada en el desarrollo de los grandes aerogeneradores para conexión a parques eólicos, el estado del arte de los pequeños aerogeneradores está todavía distante de la madurez tecnológica y de la competitividad económica. Los costes medios para la actual minieólica aislada varían entre los 2500 y los 6000 $/kW instalado, mientras que en aplicaciones de generación distribuida un pequeño aerogenerador puede variar entre los 2700 y los 8000 $/kW. Ambos rangos contrastan con los costes específicos de los grandes aerogeneradores, que están en torno a los 1500 $/kW.
En lo que respecta al análisis del comportamiento de los pequeños aerogeneradores, la densidad de potencia media está alrededor entre 0.15 y 0.25 kW/m2 debido a la limitación del potencial eólico disponible en los emplazamientos de la minieólica, en comparación con las localizaciones típicas para los aerogeneradores de gran tamaño.
La tecnología de la minieólica es claramente diferente de la utilizada en grandes aerogeneradores. Estas diferencias afectan a todos los subsistemas: sobre todo al sistema eléctrico y al de control, pero también al diseño del rotor. La mayoría de los aerogeneradores de pequeña potencia existentes en el mercado han sido construidos de forma casi artesanal.
La minieólica tiene un gran potencial pero todavía existen desafíos que tienen que ser superados. Existen normas específicas para la minieólica (como el estándar CEI 61400-2 para el diseño de aerogeneradores de pequeña potencia) y son también de aplicación algunos estándares para la eólica en general, como el de medida de la curva de potencia o el de medida de emisiones sonoras; sin
embargo, queda todavía trabajo por hacer en el campo normativo para conseguir aumentar la implantación de una mayor calidad en la fabricación de estos equipos.
No obstante, el mercado es prometedor tanto en los países en vías de desarrollo como en países desarrollados, y tanto para aplicaciones conectadas a red como para aplicaciones aisladas.
Definición de rangos
En la siguiente tabla se presenta una categorización de los rangos comerciales de pequeños aerogeneradores en función de la potencia nominal, desde unos pocos vatios hasta los 100 kW.
Tabla 1. Clasificación de aerogeneradores de pequeña potencia
Potencia Nominal (kW)
Área barrida de
rotor (m
2)
Sub-categoría
P
nominal< 1 kW
A < 4.9 m
2Pico eólica
1 kW < P
nominal< 7 kW
A < 40 m
2Micro eólica
7 kW < P
nominal< 50 kW
A < 200 m
2Mini eólica
50 kW < P
nominal< 100 kW
A < 300 m
2(por definir)
Fuente: CIEMAT
Los valores que definen los rangos en esta categorización han sido elegidos a partir de las normas que afectan a la minieólica. El valor de 40 m2 fue el límite establecido en la primera edición del estándar CEI-61400-2, y es el rango que se prevé actualmente para integración en entorno urbano; el límite de 200 m2 fue el establecido en la segunda edición del mencionado estándar en 2006, e incluye la mayor parte de aplicaciones de minieólica. Finalmente, el límite de 100 kW se define en algunos países como la máxima potencia que se puede conectar a la red eléctrica de baja tensión. El rango de la pico-eólica se acepta comúnmente para aerogeneradores de menos de 1 kW.
Conceptos básicos de aerodinámica
La energía que se puede extraer del viento es la energía cinética contenida en la corriente de aire. Cuando el viento pasa a través de un aerogenerador, sufre una disminución de su velocidad, por el hecho de que se le roba energía cinética que es transformada en energía mecánica en el eje del aerogenerador. Para obtener toda la energía cinética, habría que parar completamente el viento detrás del rotor, por lo que dejaría de pasar a través del mismo.
Del total de la potencia contenida en el viento, el máximo que puede ser aprovechado es un valor cercano al 60 %, límite que se conoce como "límite de Betz" en recuerdo del investigador alemán A. Betz, que en 1927 estudió cómo era el comportamiento de una corriente de aire en un aerogenerador. Con objeto de caracterizar la eficiencia aerodinámica de las aeroturbinas, se define el “Coeficiente de Potencia” como la relación entre la potencia suministrada por la aeroturbina en el eje de giro, respecto a la potencia contenida en el viento incidente en el rotor de la misma. El
coeficiente de potencia es una medida del rendimiento de la máquina y como se ha mencionado anteriormente el valor máximo de este coeficiente de potencia no puede superar el límite de Betz. El empleo de secciones de las palas con forma de perfil de ala ha demostrado proporcionar elevados coeficientes de potencia. Los perfiles usados siguen la tecnología aeronáutica de perfiles de alas y de rotores de baja velocidad, si bien recientemente se han desarrollado perfiles específicos para generación eólica.
Curva característica: la curva de potencia
La característica fundamental de los aerogeneradores, en lo que respecta a caracterización energética, es la denominada “Curva de potencia de un aerogenerador”, que es la relación entre la
potencia eléctrica suministrada en función de la velocidad de viento incidente. La curva de
potencia del aerogenerador es la característica más significativa de su eficiencia energética, y nos permitirá calcular la energía que puede suministrar en un emplazamiento en el que conozcamos los datos de viento.
En la figura se representa una curva de potencia característica en la que se pueden distinguir los siguientes valores:
Velocidad de conexión o de arranque. Valor de la velocidad media del viento para la que el
aerogenerador comienza a generar energía eléctrica.
Velocidad nominal. Velocidad media del viento a la que una turbina eólica rinde su potencia
nominal. Aunque tradicionalmente no ha existido un valor de velocidad de viento aceptado
de forma universal como velocidad nominal, la tendencia es usar el valor de 11m/s. No
obstante, conviene prestar atención a este parámetro en las hojas técnicas del
aerogenerador, cuando se comparan aerogeneradores distintos. A partir de esta velocidad
de viento los sistemas de control del aerogenerador tratarán de mantener la potencia de
salida de forma regulada.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Velocidad de viento (m/s) Poten cia normalizada Vnominal Pnominal Vconexión
Velocidad de corte o de desconexión. Valor de la velocidad del viento para el que el sistema
de control de una turbina eólica realiza su desconexión, a partir de esta velocidad del viento
el aerogenerador permanece parado y en posición de protección contra vientos fuertes. Esta
característica, típica en aerogeneradores de gran tamaño, no es tan frecuente en
mini-eólica.
La curva de potencia se utilizará para el cálculo de la energía producida por un aerogenerador en un emplazamiento, de la forma que se describirá más adelante en el capítulo de evaluación del recurso eólico.
Criterios de clasificación de los aerogeneradores
Existen distintos modos de clasificar a los aerogeneradores atendiendo a características tales como eje de giro, velocidad de rotación, tamaño, aplicación, etc. Una primera clasificación de las turbinas eólicas se puede realizar atendiendo a la disposición del eje de giro del rotor eólico. Podemos clasificar las aeroturbinas en dos tipos, según este criterio:
1.
Aeroturbinas de eje Horizontal.
2.
Aeroturbinas de eje Vertical
1. Aerogeneradores de eje horizontal
Los rotores de eje horizontal se caracterizan porque hacen girar sus palas en un plano perpendicular a la dirección del viento incidente. La velocidad de giro de las turbinas de eje horizontal sigue una relación inversa al número de sus palas. Así, las turbinas de eje horizontal se clasifican en turbinas con rotor multipala o aeroturbinas lentas y rotor tipo hélice o aeroturbinas rápidas.
Los rotores multipala se caracterizan por tener un número de palas que puede variar de 6 a 24 y por lo tanto una solidez elevada. Presentan grandes pares de arranque y una baja velocidad de giro. La velocidad lineal en la punta de la pala de estas máquinas, en condiciones de diseño, es del mismo orden que la velocidad del viento. Estas características hacen que la aplicación fundamental de estas turbinas haya sido tradicionalmente el bombeo de agua. No se utilizan en aplicaciones de generación de energía eléctrica debido a su bajo régimen de giro.
Los rotores tipo hélice giran a una velocidad mayor que los rotores multipala. La velocidad lineal en la punta de la pala de estas máquinas varía en un margen de 6 a 10 veces la velocidad del viento. Esta propiedad hace que las aeroturbinas rápidas sean muy apropiadas para la generación de energía eléctrica, Los rotores tipo hélice presentan un par de arranque reducido que, en la mayoría de las aplicaciones, es suficiente para hacer girar el rotor durante el proceso de conexión.
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Ilustración 2. Aerogenerador de eje horizontal, bipala a barlovento
2. Aerogeneradores de eje vertical
Dentro de las aeroturbinas de eje vertical, se pueden encontrar tres tipos de tecnologías: Savonius, Darrieus y Giromill.
Las turbinas con rotores de eje vertical tienen la ventaja fundamental de que no precisan ningún sistema de orientación activo para captar la energía del viento. Presentan la ventaja añadida, con respecto a las turbinas de eje horizontal, de disponer del tren de potencia y el sistema de generación eléctrica a nivel del suelo, lo que facilita enormemente las labores de mantenimiento. Como principales inconvenientes se encuentran la dificultad de realizar la regulación de potencia ante vientos altos en este tipo de turbinas, la fluctuación del par motor en el giro de la aeroturbina, así como el menor rendimiento del sistema de captación respecto a las aeroturbinas de eje horizontal. Estos inconvenientes habían llevado a la práctica extinción de los modelos de eje vertical. Pero en los últimos años esta familia de aerogeneradores ha experimentado una resurrección debido a su posible utilización en entorno urbano, por sus teóricas mejores prestaciones para ser integrados en edificios: producir menor nivel sonoro, menor impacto visual, mejor comportamiento ante flujo turbulento. Son varios los fabricantes que, ante las buenas perspectivas en este campo, se han lanzado al diseño y fabricación de nuevos modelos, algunos de ellos ya disponibles a nivel comercial.
Componentes del aerogenerador de pequeña potencia
A continuación se presenta un análisis de las soluciones tecnológicas adoptadas en el diseño de los aerogeneradores de pequeña potencia para cada uno de los subsistemas del mismo, analizándose las opciones más frecuentemente utilizadas en los modelos existentes en el mercado actual, y comparándolas con las soluciones (casi siempre diferentes) utilizadas en grandes aerogeneradores.
Ilustración 3. Componentes de un aerogenerador de pequeña potencia
Rotor
Se describe en este apartado el rotor de aerogeneradores de eje horizontal. Las turbinas pueden diseñarse para que funcionen en la configuración de barlovento (cuando el rotor se encuentra delante de la torre) o sotavento (cuando el rotor se encuentra detrás de la torre).
La mayor parte de los aerogeneradores en el mercado son aerogeneradores de eje horizontal a barlovento (el viento les llega de frente); en esto coinciden con los grandes aerogeneradores, que son todos a barlovento. La tecnología utilizada varía desde rotores de dos palas, hasta rotores de 6 palas, cubriendo todas las soluciones intermedias: 3, 4, 5 y 6 palas. Los más utilizados son los de tres palas (ésta es la opción elegida también para los grandes aerogeneradores), debido fundamentalmente a su mejor comportamiento dinámico (son más sencillos de equilibrar) y a un mayor rendimiento aerodinámico. Sin embargo se han experimentado configuraciones de aerogeneradores de una sola pala (monopalas) y aerogeneradores de dos palas, utilizándose mayor número de palas en los aerogeneradores de potencia nominal inferior a 250W. El material de las palas es mayoritariamente fibra de vidrio/poliéster, y en algunos casos madera.
Existen además aerogeneradores a sotavento, cuyo número está creciendo en los nuevos diseños orientados a integración en zonas urbanas.
Sistema de regulación de potencia y de la velocidad de rotación
Existe una gran variedad de soluciones utilizadas para regular la potencia y la velocidad de giro en los pequeños aerogeneradores. Entre ellas se incluyen:
“Sin regulación”, en la que el aerogenerador se diseña para poder soportar las cargas que se
produzcan en todas las condiciones de operación, incluidas las velocidades de giro que
puedan presentarse en funcionamiento en vacío.
“Regulación por desorientación” en el que el eje del rotor se desalinea en el plano
horizontal respecto a la dirección del viento incidente. Existen distintas soluciones para que
se produzca esta desorientación del rotor, si bien la más utilizada es mediante un diseño en
el que el centro de empuje del rotor no queda alineado con el centro del rodamiento de
orientación.
“Regulación por cabeceo”, similar al anterior, pero en el que la desalineación se produce en
el plano vertical.
“Regulación por cambio de paso”. El cambio de paso activo es la solución utilizada en los
aerogeneradores más grandes, pero raramente es usada en mini-eólica, donde en la mayor
parte de los casos se utilizan sistemas de cambio de paso pasivos, en los que la variación del
ángulo de ataque de las palas se produce mediante sistemas centrífugos pasivos.
“Regulación por pérdida aerodinámica”, similar a la utilizada en grandes aerogeneradores,
consiste en una disminución del coeficiente de potencia a partir de cierta velocidad de
viento, que ocurre por el comportamiento aerodinámico de las palas, sin necesidad de
actuación externa.
El punto clave en la regulación de potencia empleada en pequeños aerogeneradores ha sido
tradicionalmente conseguir una regulación adecuada mediante sistemas pasivos, mecánicos, puesto
que las soluciones con mecanismos activos, eléctrico-electrónicos, similar a los empleados en los
aerogeneradores de mayor tamaño, dan lugar a diseños más complejos, y consiguientemente más
caros y con mayor labor de mantenimiento. Por ello esta solución no es comúnmente utilizada hasta
la fecha en mini-eólica.
Sistema de Frenado
Existe una cierta indefinición, pues se ha encontrado frecuentemente en la documentación técnica descriptiva de los aerogeneradores, que los fabricantes indican el sistema de control de vueltas como sistema de frenado, lo que de acuerdo con la definición de la norma resultaría correcto, pero que no sería suficiente para detener el aerogenerador en todas las condiciones de funcionamiento.
En los aerogeneradores que sólo llevan un sistema de frenado, la solución mayoritaria es mediante
cortocircuito del generador eléctrico. En el caso en que usen dos sistemas de frenado, el
primero de ellos es mayoritariamente freno mecánico o aerodinámico mediante posicionamiento de las palas en la posición de “bandera”. Para el segundo sistema se utiliza freno mecánico, aerodinámico o por cortocircuito del generador eléctrico, dependiendo fundamentalmente de la solución utilizada para el primer sistema de frenado.
Sistema de Orientación
Las máquinas en posición de barlovento necesitan un sistema de orientación que mantenga la maquina alineada con el viento, mientras que las máquinas orientadas a sotavento y en las que el propio rotor hace de veleta, no necesitan un sistema de orientación.
El sistema de orientación empleado en grandes aerogeneradores es un sistema activo, en el que un sistema electrónico decide mediante un algoritmo de control cuándo y cuánto girar la góndola (parte superior del aerogenerador, en lo alto de la torre) actuando sobre uno o varios motores, a partir de la medida de la dirección del viento. Pues bien, este sistema es raramente usado en mini-eólica. El sistema de orientación mayoritario para los aerogeneradores de pequeña potencia a barlovento es un sistema pasivo, mecánico, denominado “por veleta de cola”. El timón veleta de orientación utilizado
es, indistintamente, recto o elevado (con el fin de disminuir la acción de la estela del rotor sobre el timón).
Generador eléctrico
La mayoría de los diseños de pequeña potencia usan conexión directa entre el rotor del aerogenerador y el generador eléctrico, sin existencia de caja de multiplicación, si bien se han localizado algunos diseños con una multiplicadora de dos etapas.
En los aerogeneradores de micropotencia (< 3kW) el tipo de generador utilizado prácticamente en la totalidad de los diseños es un alternador de imanes permanentes (PMG son sus siglas en inglés) de 4, 6, 8 o 10 pares de polos. En el caso de aerogeneradores en el rango de los 3-30 kW, si bien hay una tendencia generalizada al uso de PMG, también se utiliza la opción de generadores de inducción.
Control electrónico
Hasta ahora se ha comentado sistemas de regulación mecánicos y/o aerodinámicos, pasivos. Pero también se utilizan sistemas de regulación electrónicos, activos, que actúan sobre la generación eléctrica a la salida del generador. Por un lado, hay que tener en cuenta que los generadores eléctricos utilizados hoy en día son trifásicos, de tensión y frecuencia variables, mientras que los sistemas a los que se van a conectar normalmente requerirán suministro en alterna (monofásico o trifásico) a tensión y frecuencia estables. Los elementos comúnmente utilizados para conseguir esta adaptación pueden incluir:
Regulador o controlador de carga. Con objeto de conectar esta salida eléctrica a los
sistemas donde van a instalarse, se suele convertir esta salida trifásica en corriente continua,
una conversión que se realiza mediante un convertidor electrónico llamado rectificador. La
opción más utilizada es la de rectificador no-controlado mediante un puente de diodos.
Normalmente ubicado en el mismo cuadro que el rectificador, el regulador de tensión tiene
asignadas las siguientes funciones: Desconexión por voltaje alto de la batería protege la
batería de la sobrecarga y Cargado de la batería. La Desconexión por voltaje bajo de la
batería, que protege a la batería de sobredescarga, la realiza el inversor en la inmensa
mayoría de los casos. Una vez que tenemos la salida en continua, se encuentran disponibles
en el mercado principalmente dos modos de regulación electrónica:
o Regulación serie: con capacidad para controlar la potencia generada por el
aerogenerador, de forma que trabaje en el punto de máxima potencia, o regulando
la generación si el sistema así lo requiere (como por ejemplo en un sistema con
batería en el que ésta se encuentre plenamente cargada), o si se ha alcanzado y
superado la velocidad nominal del aerogenerador.
o Regulación paralelo: esta regulación limita la tensión en continua a un valor
establecido, derivando a una resistencia de disipación toda la potencia
excedentaria. Se utiliza fundamentalmente para que el aerogenerador no quede
funcionando en vacío en el caso de que el sistema no demande energía alguna. El
propósito de la resistencia de disipación es eliminar el exceso de energía
convirtiéndola en calor. Las resistencias de disipación pueden emplearse tanto para
calentar agua como aire, y esto es especialmente recomendable en el caso de
aerogeneradores de más de 5 kW, donde la cantidad de energía a disipar puede ser
importante.
Inversor. Los inversores convierten la energía CC a AC. Este dispositivo es necesario debido a
que los módulos, baterías y la generación de la mayoría de los pequeños aerogeneradores se
transforma a energía CC, mientras que la mayoría de las aplicaciones y dispositivos
corrientes requieren energía AC. Los inversores generalmente se dimensionan de acuerdo a
su producción de energía continua máxima. La mayoría de los inversores, sin embargo, son
capaces de manejar energía adicional a su tamaño pero únicamente por cortos períodos de
tiempo. Esta capacidad de pico es útil para satisfacer las ocasionales subidas de carga tales
como cuando arranca un motor. El inversor es el encargado de producir el suministro en
alterna con la tensión y la frecuencia requeridas para suministrar a la aplicación y, por lo
tanto, son diferentes si son para un sistema aislado que si son para un sistema conectado a
red.
Torre soporte
Respecto al tipo de torre encontramos una amplia dispersión, usándose torres atirantadas o autoportantes, tubulares y de celosía. Es práctica habitual que el fabricante ofrezca diferentes tipos de torres, de acuerdo a las características del emplazamiento. Lo mismo ocurre respecto a la altura de la torre. Así encontramos casos en los que el mismo modelo se ofrece con torres de 6 a 40 metros.
Normativa de mini-eólica
La inclusión de generación eólica de pequeña potencia se ha hecho, tradicionalmente, confiando en que el comportamiento que los fabricantes y los distribuidores ofrecían. Este comportamiento incluye aspectos diferentes, tales como la producción, la seguridad, ruido y demás. Pero asegurar la calidad se está convirtiendo cada vez más en un punto de especial interés en los sistemas renovables, por lo que con frecuencia surge la sospecha sobre si realmente el comportamiento de los aerogeneradores de pequeña potencia es el esperable, debido a la falta de referencias normativas y de información objetiva. Las normativas existentes se han desarrollado fundamentalmente para grandes aerogeneradores conectados a la red en parques eólicos, pero esto no significa que no sean de aplicación a la hora de utilizar generación mini-eólica. En este apartado se revisan las normas y recomendaciones existentes en relación con la generación mini-eólica.
Introducción
Un aspecto común tanto al desarrollo de nuevas formas de generación mini-eólica como a la mejora de las ya existentes es la necesidad de fiabilidad y calidad de los nuevos equipos: esto es fundamental para lograr la confianza de los usuarios finales, más aún cuando éstos van a ser personas físicas individuales, no profesionales del mundo de la generación eléctrica, al tratarse de generación de pequeña potencia. Para ello la existencia de una normativa adecuada, unida a los pertinentes planes de promoción de la tecnología una vez esté desarrollada, es pieza clave.
Pero existe otro aspecto, no menos importante, que reclama la presencia de una normativa acorde con esta tecnología de mini-eólica: la seguridad y confortabilidad. Si se tiene en cuenta de nuevo que los usuarios de estos equipos en general no serán profesionales cualificados, sino el público en general, cobran todavía más importancia aspectos como seguridad tanto física como eléctrica (un accidente es especialmente indeseable) y confortabilidad (debe causar el mínimo trastorno en el
usuario y en la sociedad donde se instale, lo que se refleja en aspectos como el impacto visual o el ruido).
Los aspectos normativos y legislativos de los aerogeneradores de pequeña potencia afectan tanto a la conexión de aerogeneradores de pequeña potencia a sistemas de generación aislada, como a la interconexión a la red eléctrica convencional.
Aunque ciertamente son muy pocas las normas existentes referidas específicamente a la mini-eólica, son muchas en cambio las normas que directa o indirectamente afectan a dicha forma de generación eléctrica. Se revisan a continuación las que se consideran de mayor importancia, comenzando por el bloque de normas relacionadas con la generación eólica, y siguiendo con aquellas normas particulares de la aplicación (sistema aislado o sistema conectado a red).
Normativa internacional (CEI)
Se revisan a continuación la familia de estándares 61400 de la CEI relativos a aerogeneradores de pequeña potencia. Todos ellos afectan a la tecnología mini-eólica en tanto en cuanto es “eólica”, pero aquí se analiza el grado en el que contemplan las particularidades de la mini-eólica en los principales estándares:
61400-1: 2005. “Requisitos de diseño”; orientada a grandes aerogeneradores conectados a
red; las peculiaridades en cuanto a requisitos de diseño para pequeños aerogeneradores
están recogidos en la norma CEI 61400-2, si bien esta norma seguiría afectando a los
aerogeneradores de más de 200 m
2de área barrida de rotor, dentro del rango de la
mini-eólica.
61400-2: 2a Ed: 2006, “Requisitos de diseño para pequeños aerogeneradores” es la única
norma que ha sido específicamente elaborada para la tecnología mini-eólica (de área barrida
de rotor menor que 200 m
2). Se trabaja en la elaboración de la tercera edición; en ella se
estudia la posibilidad de incorporar los estándares nacionales desarrollados en EE.UU y en el
Reino Unido dentro de la norma CEI. El estándar estadounidense surgió como un proceso de
certificación más sencillo, más barato y menos restrictivo que la norma CEI. En el Reino
Unido se adoptó el estándar americano cuando todavía estaba en proceso de revisión,
introduciendo tan sólo cambios menores (en el ensayo acústico y en la necesidad de que el
proceso de medida fuese verificado por un centro acreditado, la cual no figuraba en el
estándar estadounidense). También en Canadá se está adoptando este estándar.
61400-11: 2004. “Técnicas de medida de ruido acústico”. Con un anexo dedicado a
pequeños aerogeneradores.
61400-12-1: 2005 “Medida de la curva de potencia de aerogeneradores productores de
electricidad”. Cuenta con un Anexo H dedicado a la medida de la curva de potencia en
pequeños aerogeneradores, pero comparte todo el procedimiento de equipos y medida con
el de los grandes aerogeneradores.
61400-22 Certificación de aerogeneradores. Define los requerimientos para la certificación
del aerogenerador completo, por lo que hace referencia a buena parte de los otros
estándares definidos para los diferentes componentes. Sustituye a la norma WT01. De
momento no contempla el caso de mini-eólica, aunque se plantea incluir un anexo en el
futuro. (Sólo en inglés)
Puede observarse que la práctica totalidad de la normativa existente ha sido elaborada para la conexión a la red convencional de grandes aerogeneradores, lo cual resulta lógico si se analiza el
descomunal desarrollo que esta tecnología ha experimentado en los últimos años. Lo que ocurre es que la tecnología mini-eólica, y sólo por ser “eólica”, se ha visto incluida en estas normativas que, claramente, no se corresponden con ella en la mayor parte de los aspectos (escala, inversión, rentabilidad, funcionamiento, caracterización,…).
Trabajo en la Agencia Internacional de la Energía (AIE)
Dentro del Acuerdo de Energía Eólica de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), ha sido aprobada la Tarea 27, denominada “Desarrollo y utilización de un etiquetado de calidad para
Pequeños Aerogeneradores”. El principal objetivo de esta Tarea es incentivar al sector industrial
para mejorar la fiabilidad de los pequeños aerogeneradores y por lo tanto también su comportamiento.
El trabajo en esta tarea se inició en 2009, y de forma totalmente innovadora se realizó junto con el trabajo del equipo de mantenimiento (MT2) de la tercera edición de la norma CEI 61400-2, sobre requerimientos de diseño de pequeños aerogeneradores.
Como consecuencia del trabajo realizado en esta tarea, además de la propuesta de etiqueta internacional para pequeños aerogeneradores, ha surgido la Asociación de Ensayadores de Aerogeneradores de Pequeña Potencia (SWAT, de sus siglas en inglés), con algunos centros de LAC interesados en participar.
Experiencias de fabricación en LAC
Como colofón de este apartado tecnológico, se muestran a continuación algunas de las experiencias existentes en LAC, en lo que se refiere a fabricación de aerogeneradores de pequeña potencia. Es de reseñar que, además de la distribución de los modelos de pequeños aerogeneradores más conocidos a nivel internacional, se cuenta en esta región con una serie de fabricantes locales. A continuación se presenta una muestra de fabricantes de la región que, sin pretender ser exhaustiva, se considera representativa de la actividad existente:
Argentina: seguramente sea el país más activo en la actividad de fabricación mini-eólica, con
18 fabricantes identificados de tecnología mini-eólica. De entre ellos cabe destacar a
Giacobone, empresa centrada en el desarrollo de esta tecnología desde hace ya años
básicamente en aplicaciones de electrificación rural, e INVAP, un grupo industrial que más
recientemente se ha lanzado al diseño y fabricación de pequeños aerogeneradores
fundamentalmente para su uso en aplicaciones industriales.
Brasil: si bien este país se ha lanzado al desarrollo de la tecnología eólica de gran tamaño, su
actividad en mini-eólica es todavía reducida, aunque con grandes perspectivas. Algunos de
los fabricantes existentes son: Enersud, Altercoop, Electrovento.
Méjico: Aeroluz, una empresa surgida a partir del centro tecnológico de Monterrey, y Fuerza
Eólica, son algunos de los fabricantes mejicanos.
Nicaragua: Blue Energy es una experiencia muy interesante de empresa fabricante con
tecnología de fabricación de un aerogenerador de 500W surgida en un Proyecto Piloto de
transferencia tecnológica (basado en el diseño de Scoraig Wind Electric) financiado por la
agencia danesa, Alianza en Energía y Ambiente (AEA) en 2005.
Perú: Waira, un fabricante local de distintos tipos de tecnología mini-eólica, y Soluciones
Prácticas, cuya actividad en mini-eólica surge también a partir de un proyecto de
cooperación tecnológica de la ONG ITDG.
Otras experiencias de fabricantes extranjeros en LAC: Vergnet mantiene la fabricación de
mini-eólica en las Antillas Francesas, mientras que el fabricante español Bornay instala una
fábrica de pequeños aerogeneradores en Venezuela.
Resumen del capítulo 1
En este primer capítulo se presentan brevemente los conceptos para comprender y utilizar la tecnología de generación eólica, tales como la potencia cinética incluida en el viento, o el coeficiente de potencia, que nos da una estimación de lo bueno que es nuestro captador eólico a la hora de aprovechar dicha potencia. Se presenta igualmente la curva característica principal de cualquier turbina eólica: la curva de potencia, auténtica identificación del equipo cuando se trata de caracterización energética, y que será utilizada para el cálculo de la producción energética en un emplazamiento dado.
A partir de estas nociones básicas de la tecnología eólica en general, se pasa a particularizar la tecnología a la aplicación en mini-eólica, los aerogeneradores de pequeña potencia. Para ello se revisan las soluciones técnicas más comúnmente empleadas en pequeños aerogeneradores, y más concretamente, en sus componentes principales: el rotor, el sistema de regulación de potencia y de la velocidad de rotación, el sistema de frenado, el sistema de orientación, el generador eléctrico, el control electrónico y la torre.
Se incluye un apartado sobre la normativa existente que es de aplicación a la tecnología de generación eólica de pequeña potencia, un aspecto muy importante para garantizar un correcto funcionamiento y una calidad apropiada. Se revisa tanto la normativa de aplicación en la Comisión Electrotécnica Internacional, como las recomendaciones elaboradas en el marco de la Agencia Internacional de la Energía.
Por último, se concluye este capítulo dedicado a la tecnología mini-eólica con un repaso de las experiencias de fabricación de este tipo de tecnología en la Latinoamérica y Caribe. A diferencia de otras tecnologías renovables, la generación mini-eólica permite su fabricación en países en vías de desarrollo, y son numerosas las experiencias existentes en la región de estudio: en este apartado se muestran algunas de las más representativas.
2. Caracterización y evaluación del recurso
eólico
En este apartado se describe la forma en que se caracteriza habitualmente el recurso eólico en un emplazamiento desde un punto de vista matemático. A partir de esta caracterización se muestra también el procedimiento típico de evaluación, así como el método más comúnmente utilizado para evaluar la energía producida por un aerogenerador en un emplazamiento determinado, a partir de la caracterización del recurso realizada.
El viento
Los vientos son corrientes de aire motivadas por el desigual calentamiento de la atmósfera debida a la radiación solar incidente. Las diferentes temperaturas del aire crean zonas con diferentes presiones atmosféricas. Como consecuencia de esta desigualdad de presiones se produce movimiento de las masas de aire, desde las zonas de alta presión, a las zonas de baja presión. Asociado al movimiento de una masa hay una energía, denominada energía cinética, que depende de su masa y su velocidad.
El viento, considerado como un recurso energético, es una fuente con grandes variaciones
temporales, tanto a pequeña como gran escala de tiempo, así como espaciales, tanto en
superficie como en altura. Quiere ello decir que podemos encontrar grandes variaciones de un día a otro, y a la vez de un emplazamiento a otro que no se encuentre muy alejado.
Debido a la gran variabilidad del viento resulta bastante complejo la evaluación del recurso eólico de un emplazamiento, lo que requiere campañas de medida con toma de datos de viento y periodos de medida largos para poder realizar una evaluación adecuada.
Parte del total de la energía contenida en el viento, es captada por las turbinas eólicas y transformada en energía mecánica en el eje. La potencia mecánica (P, expresada en vatios) que llega al aerogenerador depende de los siguientes factores:
Del tamaño del aerogenerador (A, área de captación en m
2). La potencia disponible es
directamente proporcional al área de captación.
De la densidad del aire (ρ, en kg/m
3): razón por la que cuanto más elevado sea el
emplazamiento, la potencia disponible es menor, para una velocidad de viento dada.
De la velocidad del viento elevado al cubo (v, en m/s). Esta relación cúbica hace que la
dependencia con este parámetro sea muy marcada.
De acuerdo a la siguiente expresión:
Ecuación 1. Potencia del viento
Importante
Fases para la caracterización
Las fases que pueden aparecer en una caracterización y evaluación completa del recurso eólico en un emplazamiento son las siguientes:
1.
Exploración: análisis de la información disponible
2.
Selección de emplazamientos: para la ubicación de la(s) torre(s) de medida
3.
Campaña de medidas: qué medir, por cuánto tiempo, con qué equipos, etc.
4.
Control de calidad de los datos medidos, con objeto de detectar los errores y corregirlos.
5.
Parámetros básicos de la evaluación: qué información es la más interesante.
6.
Análisis estadístico inicial de datos: cómo sintetizar dicha información.
7.
Producción energética teórica de un aerogenerador en el emplazamiento
8.
Otros
A continuación se describirán brevemente algunas de estas fases (las resaltadas), teniendo presente de antemano que la caracterización del recurso eólico es bien diferente en sistemas con
aerogeneradores de muy pequeña potencia (típicamente de menos de 10 kW), que la que se
realiza para los aerogeneradores más grandes, dentro del rango de la generación mini-eólica. Mientras que para los aerogeneradores más grandes, el procedimiento seguido es similar al que se usa para parques eólicos, incluyendo la mayor parte de las etapas que se describen a continuación, en el caso de los aerogeneradores más pequeños la caracterización se centra casi en exclusiva en la etapa de Exploración, omitiéndose el resto de etapas hasta el cálculo de la Producción energética teórica de un aerogenerador en el emplazamiento.
Exploración
La fase de exploración, la búsqueda de la información disponible para la caracterización del recurso eólico, resulta especialmente importante en aplicaciones con aerogeneradores de pequeña potencia, donde, como se verá más adelante, es frecuente omitir la etapa de la Campaña de medidas. La exploración se centra en la información disponible, que variará mucho en función del lugar para el que busquemos la información. Algunas fuentes típicas de información pueden ser: información histórica local, búsqueda de bibliografía existente, indicadores naturales, fuentes de medidas locales, aeropuertos, centrales de generación, redes medioambientales, etc.
No obstante, la búsqueda en estas fuentes con frecuencia resulta insuficiente para la caracterización del recurso eólico, debido a la no existencia de algunas de ellas o a la información sesgada de otras. En los últimos años se está afianzando como fuente de datos preferida para la etapa de Exploración la información proveniente de atlas eólicos (cada vez es más frecuente contar con ellos), información proveniente de institutos nacionales de meteorología, y/o modelos numéricos meteorológicos.
Campaña de medidas
La información obtenida en la etapa de Exploración no deja de ser una primera aproximación a la caracterización del recurso eólico, teniendo en cuenta que el recurso eólico puede experimentar importantes variaciones en distancias cercanas. Esta aproximación se da por suficientemente apropiada en el caso de los aerogeneradores de menor potencia (omitiendo las etapas posteriores), mientras que para los aerogeneradores mayores sí es frecuente acometer una campaña de medidas. La razón para esta diferenciación es el coste de hacer campañas de medida de viento, tanto en dinero (el coste no varía mucho en función del tamaño de la generación en valor absoluto, de ahí que para los aerogeneradores más pequeños suponga un gran esfuerzo respecto al coste del sistema) como en tiempo (1 año).
La medida del viento se realiza con los instrumentos denominados anemómetros y veletas. La velocidad del viento se mide con los anemómetros, mientras que las veletas miden la dirección de donde proviene el viento. Existen diferentes tipos de anemómetros, si bien los más utilizados para la evaluación del potencial eólico para aerogeneradores de pequeña potencia son:
Anemómetros de cazoletas. El anemómetro consiste en tres o cuatro cazoletas montadas
simétricamente alrededor de un eje vertical La velocidad de rotación es proporcional a la
velocidad del viento incidente.
Anemómetros de hélice. El anemómetro consiste en una hélice montada en un eje
horizontal. Las características de respuesta de este tipo de anemómetros cuando el viento
no es perpendicular al plano de rotación, son relativamente bajas, por lo que son menos
adecuados que los anemómetros de cazoletas.
La dirección del viento se mide normalmente con las veletas, que consisten en un dispositivo montado sobre un eje vertical, que se mueve siguiendo al viento cuando este cambia de dirección. En la figura se representa un anemómetro de cazoletas y una veleta típicos usados en la evaluación de recursos eólicos
Ilustración 4. Anemómetro de cazoletas y veleta.
Para la realización de una prospección eólica de aerogeneradores de pequeña potencia, los anemómetros y veletas se suelen colocar en torres soporte a una altura mínima de 10 metros sobre el suelo, si bien es muy recomendable situar al menos dos niveles de sensores, para poder obtener
información de la variación vertical del perfil de velocidades (cortadura del viento), lo que nos permitirá optimizar la selección de la altura de la torre de los aerogeneradores.
En aplicaciones convencionales de la energía eólica (no para entornos urbanos), las torres de medida se situarán en lugares bien expuestos a todas las direcciones y lejos de obstáculos en los alrededores (árboles, casas, etc.), para evitar la perturbación de los mismos en la medida del viento; en aplicaciones en entorno urbano no está definido un procedimiento de medida, dada la complejidad, por lo que sigue siendo un campo de investigación.
Es recomendable tomar muestras de valores del viento cada 1 o 2 segundos, y realizar promedios en intervalos de 1 minuto (para aerogeneradores pequeños) o 10 minutos (para aerogeneradores de mayor tamaño).
Para poder tener referencia de la densidad del aire en el emplazamiento se recomienda realizar medidas de presión atmosférica y temperatura, para lo que se usan barómetros y termómetros, respectivamente. Para estos valores resulta suficiente la toma de medidas horarias.
Parámetros básicos
Cuando para un emplazamiento determinado se quiere evaluar la posibilidad de utilización de la energía eólica, la primera acción requerida es cuantificar el potencial del viento en el mismo. Normalmente se utilizan valores estadísticos considerados para al menos un año para tener en cuenta las variaciones a lo largo de todas las estaciones que se produzcan. Los valores que se utilizan son:
Valor medio de la velocidad del viento: Un primer valor que dará información sobre el
recurso eólico, es la velocidad media anual del viento. Debido a la dependencia de la
potencia con el cubo de la velocidad, el valor medio del viento aporta una primera
información muy importante para considerar un emplazamiento eólico. Así mismo, en
sistemas aislados de la red eléctrica convencional, será de mucha utilidad conocer tanto los
valores medios mensuales que nos darán información sobre las variaciones estacionales de
la velocidad en el emplazamiento, como las variaciones de viento lo largo del día (día tipo),
lo que permitirá conocer la complementariedad de la energía eólica con otras fuentes
energéticas, como la energía solar, y su relación con los consumos.
Valores medios de temperatura y presión ambiente
Variación de la velocidad del viento con la altura (perfil vertical). Debido principalmente al
rozamiento de la corriente de aire con la superficie terrestre, hay también una variación de
la velocidad de viento con la altura sobre el suelo, que en general es creciente. Por ello la
utilización de torres altas es ventajosa, pues permite aprovechar los vientos de las capas más
altas, pero esto no siempre es posible en las aplicaciones con pequeños aerogeneradores.
Esta variación se suele representar bien mediante una función potencial, bien mediante una
función logarítmica.
Turbulencia (pequeñas variaciones del viento sobre el valor medio)
Análisis estadístico inicial de datos
Además de los valores promedio, las representaciones estadísticas más comúnmente utilizadas son la
distribución por rumbos de las direcciones y la distribución por frecuencias de las velocidades. La información de las direcciones predominantes desde donde viene el viento, va a ser
fundamental a la hora de seleccionar la ubicación de los aerogeneradores. La representación más utilizada de la distribución direccional de los vientos es la llamada “rosa de los vientos” del emplazamiento, en la que se representa el porcentaje de tiempo en que el viento proviene de una determinada dirección (la dirección del viento se refiere siempre al lugar desde donde procede la corriente de aire, vista desde el punto de referencia). A veces se refleja en la rosa de vientos la distribución de velocidades medias de viento para cada sector direccional.
En la figura se proporciona una “rosa de los vientos” para un emplazamiento determinado.
0 5 10 15 20 25 N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW
Ilustración 5. Distribución de direcciones. Rosa de los vientos
La distribución por frecuencia de velocidades se obtiene a partir de medidas realizadas en el emplazamiento, y nos indica para cada intervalo de viento (por ejemplo entre 5 y 6 m/s), el tanto por ciento del tiempo en que el viento sopla a velocidad de viento dentro del intervalo considerado. Con esta información se compone un histograma con las ocurrencias de cada intervalo. La forma de este histograma se puede aproximar mediante una función, la función de distribución de
probabilidades del viento, con lo que se facilitan los cálculos de forma notable. Las funciones de
distribución más empleadas en el ajuste de la distribución de probabilidades del viento son las funciones de distribución de Rayleigh y, sobre todo, de Weibull, cuya expresión viene dada por:
Ecuación 2. Función de probabilidad de Weibull
Donde:
• v: es la velocidad de viento para la que se quiere calcular la probabilidad de ocurrencia
• k: parámetro de forma de la distribución de Weibull
• c: parámetro de escala de la distribución de Weibull
• P(v) representa la probabilidad de que se dé una velocidad de viento, v
La ventaja de utilizar la función de distribución de probabilidad, en lugar del histograma, es que en
un emplazamiento determinado, tan solo necesitamos conocer los dos parámetros de la función de
Weibull (en realidad con conocer el parámetro k y la velocidad media nos basta, pues el parámetro c
se puede calcular a partir de ellos) para poder calcular la probabilidad de que se dé una determinada
velocidad de viento en dicho emplazamiento. Esta información será utilizada posteriormente en el
cálculo de la Producción energética de un aerogenerador.
En la siguiente representación puede observarse cómo un histograma elaborado a partir de las
medidas de viento en un emplazamiento, es aproximado por una función de distribución de
probabilidad. Se muestra el caso de la aproximación mediante las funciones de Weibull y de
Rayleigh.
0 5 10 15 20 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Velocidad (m/s) P ro b a b ili d a d ( % ) Histograma Rayleigh WeibullIlustración 6. Distribuciones de Weibull, Rayleigh e histograma de velocidades
Producción energética teórica
La energía producida por un determinado aerogenerador, caracterizado por un curva de potencia, en un determinado emplazamiento, caracterizado por una función de distribución de
probabilidad de velocidades de viento, se obtiene multiplicando, en primer lugar y para cada
velocidad de viento, el valor de curva de potencia por el valor de la función de distribución para esa velocidad de viento, y en segundo lugar, sumando todos los resultados obtenidos. Este proceso es en realidad una integración del producto de la curva de potencia por la función de distribución de velocidades de viento, y el resultado es la energía media producida, que es el parámetro con el que se caracteriza la energía generada por un aerogenerador en un emplazamiento. Este procedimiento se efectúa típicamente bien con algún programa de ordenador, bien con una hoja de cálculo.
En el siguiente ejemplo se muestra cómo se realizaría el cálculo de la energía generada por un aerogenerador de 1 kW de potencia nominal, cuya curva de potencia viene dada por la segunda columna, en un emplazamiento de 5 m/s de velocidad media anual de viento, con unos parámetros de la función de distribución de probabilidad (Weibull) de k =2 y c = 5.61 m/s, que estaría representada por las probabilidades mostradas en la tercera columna, calculadas mediante la
Ecuación 2
.Bin Velocidad de viento (m/s) Potencia (W) Probabilidad de viento (f) Neto W @ V
1 0 12.53% 0.00 2 2 20.50% 0.36 3 19 21.99% 4.25 4 53 18.35% 9.66 5 110 12.55% 13.77 6 202 7.21% 14.56 7 329 3.52% 11.59 8 465 1.47% 6.86 9 614 0.53% 3.26 10 772 0.17% 1.28 11 939 0.04% 0.42 12 1,053 0.01% 0.11 13 1,080 0.00% 0.02 14 1,053 0.00% 0.00 15 1,009 0.00% 0.00 16 961 0.00% 0.00 17 913 0.00% 0.00 18 869 0.00% 0.00 19 825 0.00% 0.00 20 781 0.00% 0.00 Total: 98.88% 66.14 Cálculos de la Weibull: La probabilidad de la velocidad de viento se calcula como una función de Weibull definida por la media y un factor de forma, K. Para facilitar la integración por trozos, se divide el rango de velocidades de viento en "bines" de 1 m/s de ancho (Columna 1). Para cada bin, se multiplica la potencia eólica instantánea (W, Column 2) por la probabilidad de esa velocidad de viento de la Weibull (f, Columna 3). Este producto (Neto W@V, Columna 4) es la contribución de la generación eólica para ese bin. El sumatorio de todas estas contribuciones es la generación media de energía del aerogenerador a lo largo de 24 horas.
Se consiguen mejores resultados con medias anuales o mensuales. No se
recomienda el uso de medias horarias o diarias.
El cálculo se haría como sigue: en primer lugar, se multiplica, para cada intervalo (bin) de velocidad de viento (en este caso de 1 m/s de ancho), el valor de la potencia (segunda columna) por la probabilidad de ocurrencia de ese viento (tercera columna) y se almacena el resultado en la cuarta columna; en segundo lugar, se suman todos los resultados obtenidos, obteniendo la potencia media producida por el aerogenerador en ese emplazamiento (66.14W en el ejemplo). Para obtener la energía producida durante un periodo, no hay más que multiplicar la potencia media obtenida por el número de horas de ese periodo; si se trata de un año, el cálculo sería: 66.14 W x 8670 horas/año = 579,369.9 Wh=579 kWh.
Se ha utilizado como ejemplo la hoja de cálculo HYCAD, de Bergey.
Es de señalar que esta etapa sí es común para cualquier tipo de aerogenerador, con independencia de cómo se haya llevado a cabo la caracterización del recurso eólico. Quiere esto decir que tanto si se trata de un aerogenerador de los más pequeños, en los que solo se llevó a cabo la etapa de
Exploración, como si se trata de un aerogenerador más grande y se han llevado a cabo todas las etapas, la etapa del cálculo de la Producción energética teórica se realiza de la misma forma. La
diferencia será que en el primer caso se trabajará con una función de distribución de probabilidad de velocidades de viento (Weibull) estimada a partir de, por ejemplo, un atlas eólico de la región, mientras que en el segundo caso la función de distribución de probabilidad utilizada habrá sido calculada a partir de los datos medidos in situ. Pero el procedimiento de cálculo es el mismo en lo que se refiere al cálculo de la producción energética.
¿Qué información necesito para el cálculo de la producción de un aerogenerador en un emplazamiento?
La información básica es la siguiente:
- Curva de potencia del aerogenerador, proporcionada por el fabricante (si ha sido obtenida por una entidad independiente, mejor)
- Velocidad media de viento del emplazamiento, para cada mes del año preferiblemente. NUNCA DIGA: “NO TENGO DATOS”. A falta de otra información, siempre se puede utilizar los datos obtenidos a partir de la web: http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/
- Parámetros de la función de Weibull; si no los conocemos, podemos suponer que k = 2 para sitios interiores, 3 para sitios costeros, y 4 para islas, mientras que c se calcula dividiendo la velocidad media del periodo entre 0.89.
Otra información que influye el resultado:
- Altitud del lugar: afecta a la densidad del aire, disminuyendo ésta con la altitud. Puede usarse la siguiente expresión:
densidad = 1.225*(1-altitud (m)*0.0000918)
- Altura del buje del aerogenerador y altura a la que fueron medidos
los datos de viento que se utilizan, para tener en cuenta el perfil vertical
del viento. Si se usa la representación de la variación con la altura del viento mediante una ley potencial, la expresión sería:
Donde
V1: velocidad del viento a la altura h1 V2: velocidad del viento a la altura h2
: exponente de cortadura (suele tomar valores entre 0.14 y 0.20)
Otros
Para el nivel de familiaridad que se persigue en este curso, se considera que es suficiente con lo mostrado hasta ahora. No obstante, y a título de cultura eólica, añadir, para concluir el apartado de caracterización del recurso eólico, que existen más tareas relacionadas, como son la de seleccionar el emplazamiento óptimo para el aerogenerador, dentro de la zona de estudio, para lo que es necesario una extrapolación espacial del recurso eólico a partir de la digitalización de la topografía del terreno
Caracterización del recurso eólico en LAC
Se ha comentado en este apartado que la forma en que más comúnmente se está caracterizando el recurso el eólico para mini-eólica es, en primera instancia, mediante la elaboración de mapas o atlas eólicos de la región. Afortunadamente, durante los últimos años cada vez son más las regiones y los países que cuentan con mapas de este tipo. Así, por ejemplo, Argentina, Bolivia, Brasil, Chile, Cuba, Méjico, Perú o Uruguay disponen de mapas eólicos nacionales o regionales. Los mapas realizados son distintos entre sí, tanto por la forma en que han sido realizados como por la información que proporcionan, pero resultan desde luego un avance frente a la situación de partida de no disponer de ninguna información sobre el recurso eólico en el emplazamiento que deseemos analizar. En la siguiente ilustración se muestran algunos de estos mapas, a modo de ejemplo.
Cabe decir en este sentido que siempre se puede partir de la información existente en la base de datos gratuita de la NASA (http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/), que nos proporciona datos de partida para cualquier emplazamiento. A partir de esta información genérica, cuanto más particularizada y cercana sea la información que consigamos, tanto mejor para la caracterización del recurso eólico de nuestro emplazamiento.
Estos mapas eólicos vienen a contrarrestar la limitación que supone el uso de la tecnología mini-eólica en programas de electrificación a gran escala, pues la caracterización del recurso eólico presenta una dificultad sensiblemente mayor que la del recurso solar en este tipo de aplicaciones.
Resumen del capítulo 2
En este capítulo se aborda la caracterización del recurso eólico, tema clave para entender la generación a partir de energía eólica. Tras una primera y breve introducción al conocimiento del viento y de los principales parámetros implicados en el cálculo de la potencia cinética (área de captación, densidad del aire y, principalmente, velocidad de viento, pues la relación con ésta es cúbica), se muestran las etapas que pueden incluirse en una caracterización completa del recurso eólico en un emplazamiento.
Se comienza con la Exploración de la información existente, remarcando en el caso de aerogeneradores de pequeña potencia (sobre todo para los más pequeños) es frecuente que de esta etapa se salte directamente a la etapa de cálculo de la Producción energética del aerogenerador, no así con aerogeneradores más grandes, donde sí se recorren las otras etapas con mayor frecuencia. La fuente de datos que va surgiendo con más fuerza en los últimos años es la realización de mapas o atlas eólicos para las regiones o los países donde se quiere fomentar el uso de esta tecnología. Otras etapas importantes en la caracterización del recurso eólicos son: la Campaña de medidas, con la selección de las variables a medir, los equipos a utilizar y los emplazamientos donde resulta más conveniente la medida; la selección de los Parámetros Básicos y del Análisis estadístico de la información, que nos conducen a la elaboración de la Rosa de los vientos y de la función de distribución de probabilidad de velocidades de viento (la de Weibull principalmente), como representaciones estadísticas más comunes del recurso eólico en un emplazamiento; para finalmente concluir con el objetivo principal de este capítulo y uno de los puntos importantes del curso: el cálculo de la Producción energética de un aerogenerador en un emplazamiento. Se ha descrito el proceso a seguir, incluyendo un ejemplo de aplicación y concluyendo con un resumen con la información esencial necesaria para la ejecución de este cálculo.
Por último, se presenta un breve resumen de la actividad de caracterización del recurso eólico en la región LAC mediante mapas y atlas eólicos, ofreciendo la disponibilidad de ellos en buena parte de los países implicados.
