CENTRALES
ELÉCTRICAS
PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD
ÍNDICE
1. Generadores 2. Central eléctrica 3. Centrales Hidroeléctricas 4. Centrales Térmicas 5. Centrales Nucleares 6. Centrales Solares 7. Centrales Eólicas 8. Centrales Geotérmicas 9. Central Mareomotriz.1.
GENERADORES
La energía eléctrica se produce en los aparatos llamados generadores o alternadores. Un generador consta, en su forma más simple de:
Una espira que gira impulsada por algún medio externo.
Un campo magnético uniforme, creado por un imán, en el seno del cual gira la espira anterior.
A medida que la espira gira, el flujo magnético a través de ella cambia con el tiempo, induciéndose una fuerza electromotriz, y si existe un circuito externo, circulará una corriente eléctrica.
Para que un generador funcione, hace falta una fuente externa de energía (hidráulica, térmica, nuclear, etc.) que haga que la bobina gire con una frecuencia deseada.
2. CENTRAL ELÉCTRICA
Podemos considerar que el esquema de una central eléctrica es:
En general, la energía mecánica procede de la transformación de la energía potencial del agua almacenada en un embalse; de la energía térmica suministrada al agua mediante la combustión del carbón, gas natural, o fuel, o a través de la energía de fisión del uranio. Para realizar la conversión de energía mecánica en eléctrica, se emplean unos generadores, más complicados que los que acabamos de ver en la pregunta anterior, que constan de dos piezas fundamentales:
El estator: Armadura metálica, que permanece en reposo, cubierta en su interior por unos hilos de cobre, que forman diversos circuitos.
El rotor: Está en el interior del estator y gira accionado por la turbina. Está formado en su parte interior por un eje, y en su parte más externa por unos circuitos, que se transforman en electroimanes cuando se les aplica una pequeña cantidad de corriente.
Cuando el rotor gira a gran velocidad, debido a la energía mecánica aplicada en las turbinas, se produce unas corrientes en los hilos de cobre del interior del estator. Estas corrientes proporcionan al generador la denominada fuerza electromotriz, capaz de producir energía eléctrica a cualquier sistema conectado a él.
Como hemos visto la turbina es la encargada de mover el rotor del generador y producir la corriente eléctrica. La turbina a su vez es accionada por la energía mecánica del vapor de agua a presión o por un chorro de agua.
Todas las centrales eléctricas constan de un sistema de "turbina-generador" cuyo funcionamiento básico es, en todas ellas, muy parecido, variando de unas a otras la forma en que se acciona la turbina, o sea, dicho de otro modo en que fuente de energía primaria se utiliza, para convertir la energía contenida en ella en energía eléctrica.
3. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
Fueron las primeras centrales eléctricas que se construyeron. Una central hidroeléctrica es aquella en la que la energía potencial del agua almacenada en un embalse se transforma en la energía cinética necesaria para mover el rotor de un generador, y posteriormente transformarse en energía eléctrica. Por ese motivo, se llaman también centrales hidráulicas.
Las centrales hidroeléctricas se construyen en los cauces de los ríos, creando un embalse para retener el agua. Para ello se construye un muro grueso de piedra, hormigón u otros materiales, apoyado generalmente en alguna montaña.
La masa de agua embalsada se conduce a través de una tubería hacia los alabes de una turbina que suele estar a pie de presa, la cual está conectada al generador. Así, el agua transforma su energía potencial en energía cinética, que hace mover los alabes de la turbina.
4. CENTRALES TÉRMICAS
Una central térmica para producción de energía eléctrica, es una instalación en donde la energía mecánica que se necesita para mover el rotor del generador y por tanto para obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera.
energía de la combustión del carbón, fuel o gas natural se emplea para hacer la transformación del agua en vapor.
Una central térmica clásica se compone de una caldera y de una turbina que mueve al generador eléctrico. La caldera es el elemento fundamental y en ella se produce la combustión del carbón, fuel o gas.
5. CENTRALES NUCLEARES
Una central nuclear es una central térmica. La diferencia fundamental entre las centrales térmicas nucleares y las térmicas clásicas reside en la fuente energética utilizada. En las primeras, el uranio y en las segundas, la energía de los combustibles fósiles.
Una central nuclear es, por tanto, una central térmica en la que actúa como caldera un reactor nuclear. La energía térmica se origina por las reacciones de fisión en el combustible nuclear formado por un compuesto de uranio.
El combustible nuclear se encuentra en el interior de una vasija herméticamente cerrada. El calor generado en el combustible del reactor y transmitido después a un refrigerante se emplea para producir vapor de agua, que va hacia la turbina, transformándose su energía en energía eléctrica en el alternador. La fisión nuclear es un proceso por el cual los núcleos de ciertos elementos químicos pesados se fisionan (se rompen) en dos fragmentos por el impacto de una partícula (neutrón), liberando una gran cantidad de energía con la que se obtiene, en la central nuclear, vapor de agua.
Las reacciones nucleares de fisión fueron descubiertas por O. Hahn y F. Strassman en 1938. Sólo dos isótopos del uranio y uno del plutonio cumplen las condiciones necesarias para ser utilizados en las reacciones de fisión: el uranio-233, el uranio-235 y el plutonio-239. De ellos, sólo el segundo se encuentra en la naturaleza y en muy pequeñas cantidades, el 0'7% del uranio natural. Los otros dos se obtienen artificialmente.
6. CENTRALES SOLARES
Una central solar es aquella instalación en la que se aprovecha la radiación solar para producir energía eléctrica.
Este proceso puede realizarse mediante dos vías:
Fotovoltaica: Hacen incidir las radiaciones solares sobre una superficie de un cristal semiconductor, llamada célula solar, y producir en forma directa una corriente eléctrica por efecto fotovoltaico.
Este tipo de centrales se están instalando en países donde el transporte de energía eléctrica se debería de realizar desde mucha distancia, y hasta ahora su empleo es básicamente para iluminación, y algunas aplicaciones domésticas.
Fototérmica: En las centrales solares que emplean el proceso fototérmico, el calor de la radiación solar calienta un fluido y produce vapor que se dirige hacia la turbina produciendo luego energía eléctrica. El proceso de captación y concentración de la radiación solar se efectúa en unos dispositivos llamados helióstatos, que actúan automáticamente para seguir la variación de la orientación del Sol respecto a la Tierra.
Existen diversos tipos de centrales solares de tipo térmico, pero las más comunes son las de tipo torre, con un número grande de helióstatos. Para una central tipo de solo 10 MWe, la superficie ocupada por los helióstatos es de unas 20 Ha.
7. CENTRALES EÓLICAS
Una central eólica es una instalación en donde la energía cinética del viento se puede transformar en energía mecánica de rotación. Para ello se instala una torre en cuya parte superior existe un rotor con múltiples palas, orientadas en la dirección del viento. Las palas o hélices giran alrededor de un eje horizontal que actúa sobre un generador de electricidad, Aerogeneradores.
A pesar de que aproximadamente un 1% de la energía solar que recibe la Tierra se transforma en movimiento atmosférico, esta energía no se distribuye uniformemente, lo que limita su aprovechamiento. Existen además limitaciones tecnológicas para alcanzar potencias superiores a un megavatio, lo cual hace que su utilidad esté muy restringida. Una central eólica no es más que un conjunto de aerogeneradores.
8. CENTRALES GEOTÉRMICAS
Una central geotérmica son unas instalaciones que aprovecha la energía geotérmica para producir energía eléctrica.
Una central geotérmica no es nada más que una central térmica en la que la caldera ha sido reemplazada por el reservorio geotérmico y en la que la energía es suministrada por el calor de la Tierra, en vez del petróleo u otro combustible.
9. CENTRAL MAREOMOTRIZ
La energía mareomotriz es la energía asociada a las mareas provocadas por la atracción gravitatoria del Sol y principalmente de la Luna.
Las mareas se aprecian como una variación del nivel del mar, que ocurre cada 12h 30 minutos y puede suponer una diferencia del nivel desde unos 2 metros hasta unos 15 metros, según la diferencia de la topografía costera.
La técnica utilizada consiste en encauzar el agua de la marea en una cuenca y, en su camino, accionar las turbinas de una central eléctrica. Cuando las aguas se retiran, también generan electricidad, usando un generador de turbina reversible.
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
ÍNDICE
1. Introducción2. Tipos de Centrales Hidroeléctricas • Central hidráulica de Pasada
• Central hidráulica con Embalse de Reserva • Central Hidroeléctrica de Bombeo
3. Principales Componentes de una Central Hidroeléctrica • La Presa
• Los Aliviaderos • Tomas de Agua • Casa de Máquinas • Turbinas Hidráulicas
4. Desarrollo de la Energía Hidroeléctrica
1. INTRODUCCIÓN
La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. El esquema general de una central hidroeléctrica puede ser: Esquema Central Hidroeléctrica
Un sistema de captación de agua provoca un desnivel que origina una cierta energía potencial acumulada. El paso del agua por la turbina desarrolla en la misma un movimiento giratorio que acciona el alternador y produce la corriente eléctrica.
Las ventajas de las centrales hidroeléctricas son evidentes:
No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita.
Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua.
A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación y aún ornamentación del terreno y turismo.
Los costos de mantenimiento y explotación son bajos.
Las obras de ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración considerable.
La turbina hidráulica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos.
Contra estas ventajas deben señalarse ciertas desventajas:
Los costos de capital por kilovatio instalado son con frecuencia muy altos.
El emplazamiento, determinado por características naturales, puede estar lejos del centro o centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de electricidad, lo que significa un aumento de la inversión y en los costos de mantenimiento y pérdida de energía. La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con la de las centrales
termoeléctricas.
La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año.
2. TIPO DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
Central Hidroeléctrica de Pasada
Una central de pasada es aquella en que no existe una acumulación apreciable de agua "corriente arriba" de las turbinas.
En una central de este tipo las turbinas deben aceptar el caudal disponible del río "como viene", con sus variaciones de estación en estación, o si ello es imposible el agua sobrante se pierde por rebosamiento. En ocasiones un embalse relativamente pequeño bastará para impedir esa pérdida por rebosamiento. El
PLANTA
CORTE
En la misma se aprovecha un estrechamiento del río, y la obra del edificio de la central (casa de máquinas) puede formar parte de la misma presa. El desnivel entre "aguas arriba" y "aguas abajo", es reducido, y si bien se forma un remanso de agua a causa del azud, no es demasiado grande. Este tipo de central, requiere un caudal suficientemente constante para asegurar a lo largo del año una potencia determinada.
Central Hidroeléctrica con Embalse de Reserva
En este tipo de proyecto se embalsa un volumen considerable de líquido "aguas arriba" de las turbinas mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales. El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Del volumen embalsado depende la cantidad que puede hacerse pasar por las turbinas. Con embalse de reserva puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque por completo durante algunos meses, cosa que sería imposible en un proyecto de pasada.
Las centrales con almacenamiento de reserva exigen por lo general una inversión de capital mayor que las de pasada, pero en la mayoría de los casos permiten usar toda la energía posible y producir kilovatios-hora más baratos. Pueden existir dos variantes de estas centrales hidroeléctricas:
La de casa de máquina al pie de la presa : En las figuras siguientes observamos en PLANTA y CORTE el esquema de una central de este tipo:
PLANTA
CORTE
La casa de máquinas suele estar al pie de la presa, como ilustra el dibujo, en estos tipos de central, el desnivel obtenido es de carácter mediano.
Aprovechamiento por derivación del agua : En las figuras siguientes tenemos un esquema en PLANTA y CORTE de una central de este tipo:
PLANTA
En el lugar apropiado por la topografía del terreno, se ubica la obra de toma de agua, y el líquido se lleva por medio de canales, o tuberías de presión, hasta las proximidades de la casa de máquinas.
Allí se instala la chimenea de equilibrio, a partir de la cual la conducción tiene un declive más pronunciado, para ingresar finalmente a la casa de máquinas.
La chimenea de equilibrio es un simple conducto vertical que asegura al cerrar las válvulas de la central, que la energía cinética que tiene el agua en la conducción, se libere en ese elemento como un aumento de nivel y se transforme en energía potencial.
Los desniveles en este tipo de central suelen ser mayores comparados con los que se encuentran en los tipos anteriores de centrales.
Centrales Hidroeléctricas de Bombeo
Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidráulicos de un país.
asociada a un alternador.
Después el agua queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día en la que la demanda de energía es menor el agua es bombeada al embalse superior para que pueda hace rel ciclo productivo nuevamente. Para ello la central dispone de grupos de motores-bomba o, alternativamente, sus turbinas son reversibles de manera que puedan funcionar como bombas y los alternadores como motores.
3. COMPONENTES DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA
La Presa
El primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica es la presa o azud, que se encarga de atajar el río y remansar las aguas.
Con estas construcciones se logra un determinado nivel del agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma. Ese desnivel se aprovecha para producir energía.
Las presas pueden clasificarse por el material empleado en su construcción en:
- Presa de hormigón
Las presas de hormigón son las más utilizadas y se puede a su vez clasificar en:
De gravedad:
Como se muestra en la figura tienen un peso adecuado para contrarrestar el momento de vuelco que produce el agua
De bóveda:
Necesita menos materiales que las de gravedad y se suelen utilizar en gargantas estrechas. En estas la presión provocada por el agua se transmite íntegramente a las laderas por el efecto del arco.
Los Aliviaderos
Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie. La misisón de los aliviaderos es la de liberar, si es preciso, grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego.
Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer desde gran altura, los aliviaderos se diseñan para que la mayoría del líquido se pierda en una cuenca que se encuentra a pie de presa, llamada de amortiguación. Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas, de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según la demanda de la situación.
Las tomas de agua son construcciones adecuadas que permiten recoger el líquido para llevarlo hasta las máquinas por medios de canales o tuberías.
Las tomas de agua de las que parten varios conductos hacia las tuberías, se hallan en la pared anterior de la presa que entra en contacto con el agua embalsada. Estas tomas además de unas compuertas para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc. puedan llegar a los alabes y producir desperfectos.
El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la presa hasta las turbinas de la central. Generalmente es necesario hacer la entrada a las turbinas con conducción forzada siendo por ello preciso que exista una cámara de presión donde termina el canal y comienza la turbina.
Es bastante normal evitar el canal y aplicar directamente las tuberías forzadas a las tomas de agua de las presas.
alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberías forzadas y alabes de las turbinas. A estas sobrepresiones se les denomina "golpe de ariete". Cuando la carga de trabajo de la turbina disminuye bruscamente se produce una sobrepresión positiva, ya que el regulador automático de la turbina cierra la admisión de agua. La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las turbinas. Cuando existe una sobrepresión de agua esta encuentra menos resistencia para penetrar al pozo que a la cámara de presión de las turbinas haciendo que suba el nivel de la chimenea de equilibrio. En el caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará. Con esto se consigue evitar el golpe de ariete. Actúa de este modo la chimenea de equilibrio como un muelle hidráulico o un condensador eléctrico, es decir, absorbiendo y devolviendo energía.
Las estructuras forzadas o de presión, suelen ser de acero con refuerzos regulares a lo largo de su longitud o de cemento armado, reforzado con espiras de hierro que deben estar ancladas al terreno mediante solera adecuadas.
Casa de máquinas
Es la construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) y los elementos de regulación y comando.
En la figura siguiente tenemos el corte esquemático de una central de caudal elevado y baja caída. La presa comprende en su misma estructura a la casa de máquinas.
Se observa en la figura que la disposición es compacta, y que la entrada de agua a la turbina se hace por medio de una cámara construida en la misma presa. Las compuertas de entrada y salida se emplean para poder dejar sin agua la zona de las máquinas en caso de reparación o desmontajes.
1. Embalse
2. Presa de contención 3. Entrada de agua a las
máquinas (toma), con reja 4. Conducto de entrada del
agua 5. Compuertas planas de entrada, en posición "izadas". 6. Turbina hidráulica 7. Alternador
8. Directrices para regulación de la entrada de agua a turbina
9. Puente de grúa de la sal de máquinas.
10. Salida de agua (tubo de aspiración
11. Compuertas planas de salida, en posición "izadas" 12. Puente grúa para maniobrar
compuertas salida.
13. Puente grúa para maniobrar compuertas de entrada.
pero con grupos generadores denominados "a bulbo", que están totalmente sumergidos en funcionamiento. 1. Embalse 2. Conducto de entrada de agua 3. Compuertas de entrada "izadas"
4. Conjunto de bulbo con la turbina y el alternador 5. Puente grúa de las sala de
máquina
6. Mecanismo de izaje de las compuertas de salida 7. Compuerta de salida
"izada"
8. Conducto de salida
En la figura que sigue se muestra el corte esquemático de una central de caudal mediano y salto también mediano, con la sala de máquinas al pie de la presa. El agua ingresa por las tomas practicadas en el mismo dique, y es llevada hasta las turbinas por medio de conductos metálicos embutidos en el dique.
1. Embalse 2. Toma de agua 3. Conducto metálico embutido en la presa 4. Compuertas de entrada en posición de izada 5. Válvulas de entrada de agua a turbinas 6. Turbina 7. Alternador 8. Puente grúa de la central 9. Compuerta de salidas "izada"
10. Puente grúa para izada de la compuerta de salida
En la figura siguiente tenemos el esquema de una central de alta presión y bajo caudal. Este tipo de sala de máquinas se construye alejadas de la presa. El agua llega por medio de una tubería a presión desde la toma, por lo regular alejada de la central, y en el trayecto suele haber una chimenea de equilibrio. La alta presión del agua que se presenta en estos casos obliga a colocar válvulas para la regulación y cierre, capaces de soportar el golpe de ariete.
1. Conducto forzado desde la chimenea de equilibrio 2. Válvula de regulación y cierre 3. Puente grúa de sala de válvulas 4. Turbina 5. Alternador 6. Puente grúa de la sala de máquinas 7. Compuertas de salida, en posición "izadas"
8. Puente grúa para las compuertas de salida 9. Conducto de salida (tubo de aspiración)
Turbinas Hidráulicas
Hay tres tipos principales de turbinas hidráulicas: La rueda Pelton
La turbina Francis
El tipo más conveniente dependerá en cada caso del salto de agua y de la potencia de la turbina. En términos generales:
La rueda Pelton conviene para saltos grandes. La turbina Francis para saltos medianos.
La turbina de hélice o turbina Kaplan para saltos pequeños. Rueda PELTON:
En la figura se muestra un croquis de la turbina en conjunto para poder apreciar la distribución de los componentes fundamentales. Un chorro de agua convenientemente dirigido y regulado, incide sobre las cucharas del rodete que se encuentran uniformemente distribuidas en la periferia de la rueda. Debido a la forma de la cuchara, el agua se desvía sin choque, cediendo toda su energía cinética, para caer finalmente en la parte inferior y salir de la máquina. La regulación se logra por medio de una aguja colocada dentro de la tubería. Este tipo de turbina se emplea para saltos grandes y presiones elevadas.
1. Rodete 2. Cuchara 3. Aguja 4. Tobera 5. Conducto de entrada 6. Mecanismo de regulación 7. Cámara de salida
Rodete y cuchara de una turbina Pelton
Turbina Pelton y alternador
Para saltos medianos se emplean las turbinas Francis, que son de reacción.
En el dibujo podemos apreciar la forma general de un rodete y el importante hecho de que el agua entre en una dirección y salga en otra a 90º, situación que no se presenta en las ruedas Pelton.
Las palas o álabes de la rueda Francis son alabeadas.
Un hecho también significativo es que estas turbinas en vez de toberas, tienen una corona distribuidora del agua. Esta corona rodea por completo al rodete. Para lograr que el agua entre radialmente al rodete desde la corona distribuidora existe una cámara espiral o caracol que se encarga de la adecuada dosificación en cada punto de entrada del agua. El rodete tiene los alabes de forma adecuada como para producir los efectos deseados sin remolinos ni pérdidas adicionales de carácter hidrodinámico.
Turbina KAPLAN:
En los casos en que el agua sólo circule en dirección axial por los elementos del rodete, tendremos las turbinas de hélice o Kaplan. Las turbinas Kaplan tienen álabes móviles para adecuarse al estado de la carga. Esta turbinas aseguran un buen rendimiento aún con bajas velocidades de rotación. La figura muestra un croquis de turbina a hélice o Kaplan.
4. DESARROLLO DE LA ENERGÍA HIDROELÉCTRICA
La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.
La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.
Además de las centrales situadas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes cantidades de agua, existen algunas centrales que se basan en la caída natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas instalaciones se llaman de agua fluente. Una de ellas es la de las Cataratas del Niágara, situada en la frontera entre Estados Unidos y Canadá.
A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, la hidroelectricidad representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento.
Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), Zaire (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo.
Presa de Itaipú En esta fotografía aérea puede observarse la presa de Itaipú, proyecto conjunto de Brasil y Paraguay sobre las aguas del río Paraná, y su central hidroeléctrica, la mayor del mundo, de la que se obtienen importantes recursos energéticos para ambos países y el conjunto regional. Con una altura de 196 m, y 8 km. de largo, cuenta con 14 vertederos que actúan como cataratas artificiales. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 Mw y es una de las más grandes. En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados.
CENTRALES EÓLICAS
Las centrales eólicas se basan en la utilización del viento como energía primaria para la producción de energía eléctrica. La energía eólica ha sido un recurso empleado desde tiempos remotos en diferentes partes del mundo y para diversos propósitos.
ÍNDICE
1. Historia2. Origen de la Energía Eólica
3. Vientos locales: Brisas Marinas
4. Vientos locales: Vientos de Montaña 5. Los aerogeneradores desvían el viento
a. El Tubo de Corriente
b. Distribución de la presión del aire
c. Corriente Abajo
6. Potencia Desarrollada por un Aerogenerador: Medida de la Velocidad del Viento
7. Densidad de Potencia 8. Curva de Potencia 9. Coeficiente de potencia
10. Componentes de un Aerogenerador
11. Aerodinámica de Aerogeneradores 12. Tipología de los Aerogeneradores
a. Por la posición del aerogenerador
b. Por la orientación del equipo con respecto al viento
c. Por el número de palas
d. Por la manera de adecuar la orientación del equipo a la dirección del viento
13. Por el control de potencia Los Aerogeneradores y el Medio Ambiente
1. HISTORIA
Aunque el aprovechamiento de la energía eólica data de las épocas más remotas de la humanidad (existen grabados egipcios sobre navegación a vela fechados 500 años a. c) la primera noticia que se tiene al respecto se refiere a un molino que Herón de Alejandría construyó en el siglo II antes de C. para proporcionar aire a su órgano.
Los más antiguos molinos que se conocen eran de eje vertical. Hacia el siglo VIII aparecieron en Europa, procedentes del este, grandes molinos de eje horizontal con cuatro aspas. Su fabricación en gran número, en particular por los holandeses, les hizo alcanzar una gran firmeza, pese a que, debido a las dimensiones de sus aspas distaban mucho de recoger el máximo de potencia. Necesitaban una regulación de la orientación de la tela. Los molinos de viento de eje horizontal han de hacer siempre frente al viento. Estos molinos eran muy adecuados para vientos del orden de 5 m/s, es decir, unos 20
km./h.
Es a partir de los siglos XII-XIII cuando empieza a generalizarse el uso de los molinos de viento para la elevación de agua y la molienda de grano, los más antiguos aparecieron en Turquía, en Irán y en Afganistán. A principios del siglo XII. Europa se llenó a su vez de molinos, sobre todo en Bélgica y en los Países Bajos. Los molinos holandeses tienen cuatro aspas de lona, mientras que los de Baleares y Portugal tienen seis, y los de Grecia, doce. Los molinos con gran número de palas determinan velocidades de rotación relativamente bajas y un funcionamiento útil a partir de velocidades del viento del orden de 2 m/s.
Todos estos molinos se mantendrán hasta bien entrado el siglo XIX. El desarrollo de los molinos de viento se interrumpe con la revolución industrial y la utilización masiva de vapor, la electricidad y los combustibles fósiles como fuentes de energía motriz. Es, sin embargo, en la segunda mitad del siglo XIX cuando tiene lugar uno de los más importantes avances en la tecnología del aprovechamiento del viento, con la aparición del popular molino multipala americano, utilizado para bombeo de agua prácticamente en todo el mundo, y cuyas características habrían de sentar las bases para el diseño de los modernos generadores eólicos.
Fue entre las dos últimas guerras cuando aparecieron, como consecuencia de los progresos técnicos de las hélices de aviación, los grandes aerogeneradores de dos o tres palas. En ellos se transforma la energía cinética del viento en energía mecánica primero y en energía eléctrica posteriormente.
2. ORIGEN DE LA ENERGÍA EÓLICA
Todas las fuentes de energía renovables (excepto la mareomotriz y la geotérmica), incluso la de los combustibles sólidos, provienen, en último término, del Sol.
El Sol irradia 1014 kw·h de energía hacia la Tierra. En otras palabras, si tenemos en cuenta que 1 kw·h =
3.600.000 julios y esta energía se transmite en una hora, la Tierra recibe del Sol 1017 w de potencia.
Alrededor de un 1 a un 2% de la energía proveniente del Sol es convertible en energía eólica. Esto supone una energía alrededor de 50 a 100 veces superior a la convertida en biomasa por todas las plantas de la Tierra.
El viento se produce por las diferencias de temperaturas que alcanzan diferentes partes de la Tierra. Las regiones alrededor del ecuador, a 0º de latitud, son calentadas por el sol más que las zonas del resto del globo.
Las áreas calientes están indicadas en la foto en colores cálidos, rojo, naranja y amarillo. (Foto tomada de un satélite de la NASA, NOAA-7, en julio de 1984).
El aire caliente es más ligero que el aire frío, por lo que subirá hasta alcanzar una altura aproximada de 10 km y se extenderá hacia el norte y hacia el sur.
planeta se hace mucho más complicado.
En el hemisferio norte, el movimiento del aire en las capas altas tiende a desviarse hacia el ESTE y en las capas bajas hacia el OESTE, por efecto de las fuerzas de inercia de Coriolis. En el hemisferio sur ocurre al contrario.
Estas fuerzas de Coriolis aparecen en todas las partículas cuyo movimiento esté asociado a unos ejes de referencia que a su vez está sometido a un movimiento de rotación.
De esta forma, el ciclo que aparecía en un planeta estático, ahora se subdivide. El aire que asciende en la zona cálida del ecuador se dirige hacia el polo a una velocidad de 2m/s, desviándose hacia el ESTE a medida que avanza hacia el NORTE. Al alcanzar la zona subtropical, su componente es demasiado elevada y desciende, volviendo al ecuador por la superficie.
Por encima de este ciclo subtropical se forma otro de característica semejante aunque en este caso es el aire cálido que ha descendido en la zona subtropical es el que se desplaza por la superficie terrestre hasta que alcanza la zona subpolar, en donde vuelve a ascender enlazando con el ciclo polar.
Este modelo de circulación, todavía se ve perturbado por la formación de torbellinos que se generan en las zonas de interpolación de los diferentes ciclos. La componente transversal de la velocidad del viento genera unas olas, que poco a poco se van incrementando hasta que la circulación se rompe, produciéndose unos torbellinos que se mueven independientemente. Estos núcleos borrascosos se generan periódicamente y transportan grandes masas de aire frío hacia el sus alterando las condiciones climáticas en zonas de latitud inferior.
Direcciones de viento dominantes
Latitud 60°N90- 30°N60- 30-0°N 0-30°S 60°S30- 90°S
60-Dirección NE SO NE SE NO SE
Las direcciones dominantes del viento son importantes para el emplazamiento de un aerogenerador, ya que obviamente querremos situarlo en un lugar en el que haya el mínimo número de obstáculos posibles
para las direcciones dominantes del viento. Sin embargo la geografía local puede influenciar en los resultados de la tabla anterior.
3. VIENTOS LOCALES: BRISAS MARINAS
Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden influir en las direcciones de vientos más comunes.
Los vientos locales siempre se superponen en los sistemas eólicos a más gran escala, esto es, la dirección del viento es influenciada por la suma de los efectos global y local. Cuando los vientos a más gran escala son suaves, los vientos locales pueden dominar los regímenes de viento.
Brisas marinas
Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar por efecto del sol. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel del suelo que atrae al aire frío del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. A menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando las temperaturas del suelo y del mar se igualan.
Durante la noche los vientos soplan en sentido contrario. Normalmente durante la noche la brisa terrestre tiene velocidades inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es más pequeña.
El conocido monzón del sureste asiático es en realidad una forma a gran escala de la brisa marina y la brisa terrestre, variando su dirección según la estación, debido a que la tierra se calienta o enfría más rápidamente que el mar.
Las regiones montañosas muestran modelos de clima muy interesantes. Un ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al sur (o en las que dan al norte en el hemisferios sur).
Cuando las laderas y el aire próximo a ellas están calientes la densidad del aire disminuye, y el aire asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la ladera. Durante la noche la dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un viento que fluye ladera abajo. Si el fondo del valle está inclinado, el aire puede ascender y descender por el valle; este efecto es conocido como viento de cañón. Los vientos que soplan en las laderas a sotavento pueden ser bastante potentes. Ejemplos de ello son: El Fhon de los Alpes en Europa, el Chinook en las Montañas Rocosas y el Zonda en los Andes. Ejemplos de otros sistemas de vientos locales son el Mistral, soplando a lo largo del valle del Rhone hasta el Mar Mediterráneo, y el Sirocco, un viento del sur proveniente del Sahara que sopla hacia el Mar Mediterráneo.
5. LOS AEROGENERADORES DESVÍAN EL VIENTO
Un aerogenerador desviará el viento antes incluso de que el viento llegue al plano del rotor. Esto significa que nunca seremos capaces de capturar toda la energía que hay en el viento utilizando un aerogenerador.
capturar parte de la energía cinética que posee el viento (en este caso usamos un rotor de tres palas, aunque podría haberse tratado de cualquier otro mecanismo).
El tubo de corriente
El rotor de la turbina eólica debe obviamente frenar el viento cuando captura su energía cinética y la convierte en energía rotacional. Esto implica que el viento se moverá más lentamente en la parte izquierda del rotor que en la parte derecha.
Dado que la cantidad de aire que pasa a través del área barrida por el rotor desde la derecha (por segundo) debe ser igual a la que abandona el área del rotor por la izquierda, el aire ocupará una mayor sección transversal (diámetro) detrás del plano rotor.
Este efecto puede apreciarse en la imagen superior, donde se muestra un tubo imaginario, el llamado tubo de corriente, alrededor del rotor de la turbina eólica. El tubo de corriente muestra cómo el viento moviéndose lentamente hacia la izquierda ocupará un gran volumen en la parte posterior del rotor. El viento no será frenado hasta su velocidad final inmediatamente detrás del plano del rotor. La ralentización se producirá gradualmente en la parte posterior del rotor hasta que la velocidad llegue a ser prácticamente constante.
Distribución de la presión del aire en la parte delantera y trasera del rotor
El gráfico de arriba muestra la presión del aire en el eje vertical, siendo el eje horizontal la distancia al plano del rotor. El viento llega por la derecha, estando situado el rotor en el centro del gráfico.
La presión del aire aumenta gradualmente a medida que el viento se acerca al rotor desde la derecha, ya que el rotor actúa de barrera del viento. Observe que la presión del aire caerá inmediatamente detrás del plano del rotor (parte izquierda), para enseguida aumentar de forma gradual hasta el nivel de presión normal en el área.
el viento más rápido del área circundante. Por lo tanto, el abrigo del viento disminuirá gradualmente tras el rotor conforme nos alejamos de la turbina.
POTENCIA DESARROLLADA POR UN AEROGENERADOR
La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende como hemos visto, de la densidad del aire,"d", del área de barrido del rotor, "A", y de la velocidad del viento, "v".
La energía cinética de una masa de aire, "m", moviéndose a una velocidad, "v", responde a la expresión:
E = 1/2 mv
2Si el volumen de aire que se mueve es "V" y tiene una densidad "d" su masa será; m = V . d, con lo que su energía cinética será:
Ec = 1/2 dVv
2La cantidad de aire que llegará al rotor de un aerogenerador en un tiempo "t" dependerá de: el área de barrido del rotor "A" y de la velocidad del viento.
El volumen del aire que llega al rotor será:
V = Avt
La energía cinética que aporta el aire al rotor en un tiempo "t" será:
Ec = 1/2 dAvtv
2Ec = 1/2 dAtv
3 Y la potencia aportada al rotor será:Ec = 1/2 dAv
3El gráfico muestra que con una velocidad del viento de 8 m/s obtenemos una potencia de 314 W por cada metro cuadrado expuesto al viento (viento incidente perpendicularmente al área barrida por el rotor). A 16 m/s obtendremos una potencia ocho veces mayor, 2.509 W/m2.
Como también hemos visto anteriormente el aerogenerador ralentiza el viento al pasar por el rotor, hasta un 2/3 de su velocidad inicial. Lo que significa que no se aprovecha toda la energía cinética que el viento aporta al rotor, existiendo una ley, llamada
Ley de Benz
que nos dice:"Sólo puede convertirse menos de 16/27 (el 59%) de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador".
Medida de la velocidad del viento
De acuerdo con lo anterior la velocidad del viento es un dato muy importante para el diseño de un aerogenerador, ahora bien la velocidad del viento no es constante y varía a lo largo del tiempo, es por tanto importante medir la velocidad del viento en una determinada zona en el transcurso de un año o más para comprobar que velocidades del viento son las más frecuentes.
El anemómetro de cazoletas tiene un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El número de revoluciones por segundo son registradas electrónicamente. Mide la velocidad del viento en m/s. Normalmente el anemómetro está provisto de una veleta para detectar la dirección del viento.
La variación del viento en un emplazamiento típico suele describirse utilizando la llamada
En el eje de las X se han puesto las velocidades del viento en m/s y en el eje de las Y el tiempo que esas velocidades se han conseguido a lo largo del año, frecuencia expresada en tanto por uno.
Se observa que los fuertes vendavales son raros (v>14 m/s) y que los vientos frescos y moderados son bastante comunes.
En este emplazamiento la velocidad media a lo largo del año ha sido de 7 m/s y la forma de la curva está determinada por un parámetro de forma de 2.
La distribución estadística de las velocidades del viento varía de un lugar a otro del globo, dependiendo de las condiciones climáticas locales, del paisaje y de su superficie. Por lo tanto la Distribución de Weibull puede variar tanto en la forma como en el valor medio.
6. DENSIDAD DE POTENCIA
Sabemos que el potencial de energía por segundo del aire varía proporcionalmente al cubo de la velocidad del viento. Si multiplicamos la potencia de cada velocidad del viento por la probabilidad de cada velocidad del viento sacada de la gráfica de Weibull, habremos calculado la distribución de energía eólica a diferentes velocidades del viento lo que llamamos "densidad de potencia".
En esta gráfica el área bajo la curva gris (a lo largo del eje horizontal) nos da la cantidad de potencia eólica por m2 de flujo de viento que puede esperarse en este
emplazamiento en particular. En este caso tenemos una velocidad media de 7 m/s y un weibull k=2, por lo que tenemos en total 402 W/m2. Observe que esta potencia
es casi el doble de la obtenida cuando el viento sople constantemente a la velocidad media. El gráfico consta de cierto número de columnas estrechas, una para cada intervalo de 0'1 m/s de la velocidad del viento.
La altura de cada columna es la potencia (nº de W por m2), con la que cada velocidad del viento en particular
contribuye en la cantidad total de potencia disponible por metros cuadrados. El área bajo la curva azul indica que cantidad de potencia puede teóricamente convertir en potencia mecánica (según la ley de Betz, será 16/27
de la potencia total del viento).
El área total bajo la curva roja nos dice cuál será la potencia eléctrica que un aerogenerador producirá en dicho emplazamiento.
De este gráfico sacamos las siguientes informaciones:
a. La mayor parte de la energía eólica se encontrará a velocidades por encima de la velocidad media del viento.
b. Velocidad de conexión:
Los aerogeneradores están diseñados para empezar a girar a velocidades alrededor de 3-5 m/s. Es la llamada "velocidad de conexión". El área azul de la izquierda muestra la pequeña cantidad de potencia perdida por este hecho.
c. Velocidad de corte:
El aerogenerador se programará para pararse a altas velocidades del viento, de unos 25 m/s, para evitar posibles daños. La minúscula área azul de la derecha representa la pérdida de potencia por este motivo.
7. CURVA DE POTENCIA
La curva de potencia de un aerogenerador es un gráfico que nos indica la potencia eléctrica que es capaz de generar para cada velocidad del viento.
El gráfico muestra una curva de potencia de un típico aerogenerador de 600 kW.
Las curvas de potencia se obtienen a partir de medidas en campo, donde un anemómetro situado en un mástil toma velocidades del viento y la potencia eléctrica se lee directamente de los aparatos de control del areogenerador.
8. COEFICIENTE DE POTENCIA
El coeficiente de potencia indica con qué eficiencia el aerogenerador convierte la energía del viento en electricidad.
Para calcular el coeficiente de potencia para cada velocidad dividimos el valor de la potencia eléctrica para cada velocidad sacado de la curva de potencia por el área de barrido del rotor, sacamos así la potencia disponible por metro cuadrado.
Posteriormente, para cada velocidad, dividimos el resultado anterior por la cantidad de potencia en el viento por m2.
El gráfico muestra la curva del coeficiente de potencia de un aerogenerador típico. Aunque la eficiencia media de estos aerogeneradores suele estar por encima del 20%, la eficiencia varía mucho con la velocidad del viento.
14.
Como se puede observar, la eficiencia mecánica del aerogenerador más alta (44%) se da a velocidades alrededor de 9 m/s. Este valor es un dato elegido deliberadamente por los constructores de turbinas, ya que:
A bajas velocidades del viento la eficiencia del aerogenerador no es importante, ya que la energía del viento no es mucha.
A altas velocidades la eficiencia tampoco interesa que sea muy alta por un doble motivo, según la densidad de potencia a alteas velocidades esta es baja y además hay peligro de ruptura del aerogenrador, por lo que este se para a esas velocidades.
sí pues, la eficiencia interesa que sea alta en aquellas zonas de velocidades de viento más frecuentes, donde se encuentra la mayor parte de la energía.
La góndola
Contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador eléctrico. El personal de servicio puede entrar en la góndola desde la torre de la turbina. A la izquierda de la góndola tenemos el rotor del aerogenerador, es decir las palas y el buje.
Las palas del rotor
Capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador moderno de 600 kW cada pala mide alrededor de 20 metros de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un avión.
El buje
El buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador. El eje de baja velocidad
Conecta el buje del rotor al multiplicador. En un aerogenerador moderno de 600 kW el rotor gira muy lento, a unas 19 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.) El eje contiene conductos del sistema hidraúlico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámicos.
El multiplicador
Tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que está a su derecha gire 50 veces más rápido que el eje de baja velocidad.
El eje de alta velocidad
Gira aproximadamente a 1.500 r.p.m. lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con yn freno de disco mecánico de emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.
El generador eléctrico
Suele ser un generador asíncrono o de inducción. En los aerogeneradores modernos la potencia máxima suele estar entre 500 y 1.500 kW.
El controlador electrónico
Es un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier disfunción (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador o en el generador), automáticamente para el aerogenerador y llama al ordenador del operario encargado de la turbina a través de un enlace telefónico mediante modem.
La unidad de refrigeración
Contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador eléctrico. Además contiene una unidad refrigerante por aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores refrigerados por agua.
La torre
Soporta la góndola y el rotor. Generalmente es una ventaja disponer de una torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos del nivel del suelo. Una turbina moderna de 600 kW tendrá una torre de 40 a 60 metros (la altura de un edificio de 13 a 20 plantas). Las torres pueden ser bien torres tubulares (como la mostrada en el dibujo) o torres de celosia. Las torres tubulares son más seguras para el personal de mantenimiento de las turbinas ya que pueden usar una escalera interior para acceder a la parte superior de la turbina. La principal ventaja de las torres de celosia es que son más baratas.
El mecanismo de orientación
Está activado por el controlador electrónico, que vigila la dirección del viento utilizando la veleta.
El dibujo muestra la orientación de la turbina. Normalmente, la turbina sólo se orientará unos pocos grados cada vez, cuando el viento cambia de dirección.
El anemómetro y la veleta
Las señales electrónicas del anemómetro son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para conectarlo cuando el viento alcanza aproximadamente 5 m/S. El ordenador parará el aerogenerador automáticamente si la velocidad del viento excede de 25 m/s, con el fin de proteger a la turbina y sus alrededores. Las señales de la veleta son utilizadas por el controlador electrónico para girar el aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de orientación.
El rotor, compuesto por las palas del rotor y el buje, está situdo corriente arriba de la torre y la góndola en la mayoría de los aerogeneradores modernos. Esto se hace sobretodo porque la corriente de aire tras la torre es muy irregular (turbulenta)
¿Qué es lo que hace que el rotor gire?
La respuesta parece obvia: el viento.
Pero en realidad, no se trata simplemente de moléculas de aire que chocan contra la parte delantera de las palas del rotor. Los aerogeneradores modernos toman prestada de los aviones y los helicopteros tecnología ya conocida, además de tener algunos trucos propios más avanzados, ya que los aerogeneradores trabajan en un entorno realmente muy diferente, con cambios en las velocidades y en las direcciones del viento.
Sustentación
Eche un vistazo a la animación del perfil cortado (sección transversal) del ala de un avión. La razón por la que un aeroplano puede volar es que el aire que se desliza a lo largo de la superficie superior del ala se mueve más rápidamente que el de la superficie inferior.
Esto implica una presión más baja en la superficie superior, lo que crea la sustentación, es decir, la fuerza de empuje hacia arriba que permite al avión volar.
La sustentación es perpendicular a la dirección del viento.
Pérdida de sustentación
Ahora bien, ¿qué es lo que ocurre cuando un avión se inclina demasiado hacia atrás en un intento de subir más rápidamente? La sustentación del ala va de hecho a aumentar, pero en el dibujo puede verse que, de repente el flujo del aire de la superficie superior deja de estar en contacto con la superficie del ala.
turbulencia). Bruscamente, la sustentación derivada de la baja presión en la superficie del ala desaparece.
Este fenómeno es conocido como pérdida de sustentación. Un avión perderá la sustentación si la forma del ala va disminuyendo demasiado rápidamente conforme el aire se mueve a lo largo de su dirección general del movimiento (por supuesto, no va a ser el ala propiamente dicha la que cambie su forma, sino el ángulo que forma el ala con la dirección general de la corriente, también conocido como ángulo de ataque, que ha sido aumentado en el dibujo de arriba). Observe que la turbulencia es creada en la cara posterior del ala en relación con la corriente de aire.
La pérdida de sustentación puede ser provocada si la superficie del ala del avión (o la pala del rotor de un aerogenerador) no es completamente uniforme y lisa. Una mella en el ala o en la pala del rotor, o un trozo de cinta adhesiva, pueden ser suficiente para iniciar una turbulencia en la parte trasera, incluso si el ángulo de ataque es bastante pequeño. Obviamente, los diseñadores de aviones intentan evitar la pérdida de sustentación a toda costa , ya que un avión sin la sustentación de sus alas caerá como si fuera una piedra.
En la parte sobre control de potencia volveremos sobre este asunto y veremos como los diseñadores de aerogeneradores hacen uso deliberado del fenómeno de pérdida de sustentación cuando diseñan palas del rotor.
Resistencia aerodinámica
Sin embargo, los diseñadores de aviones y los de palas de rotor no sólo se preocupan de la sustentación y de la pérdida de sustentación. También se preocupan de la resistencia del aire, conocida en el argot técnico como resistencia aerodinámica. La resistencia aerodinámica normalmente aumentará si el área orientada en la dirección del movimiento aumenta.
11. TIPOLOGÍA DE LOS AEROGENERADORES
En la actualidad existe toda una enorme variedad de modelos de aerogeneradores, diferentes entre sí tanto por la potencia proporcionada, como por el número de palas o incluso por la manera de producir energía eléctrica (aisladamente o en conexión directa con la red de distribución convencional). Pueden clasificarse, pues, atendiendo a distintos criterios:
Por la posición del aerogenerador:
Eje vertical: Su característica principal es que el eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo. Son también llamados "VAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación inglesa "vertical axis wind turbines". Existen tres tipos de estos aerogeneradores:
Darrieus:
Consisten en dos o tres arcos que giran alrededor del eje.
Panemonas:
Cuatro o más semicírculos unidos al eje central. Su rendimiento es bajo. Sabonius:
Dos o más filas de semicilindros colocados opuestamente. Eje horizontal:
Son los más habituales y en ellos se ha centrado el mayor esfuerzo de diseño en los últimos años. Se los denomina también "HAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación inglesa "horizontal axis wind turbines". Un prototipo de potencia generada 1'5 mW se presenta en la figura.
Una discusión clásica dentro del campo de los aerogeneradores es que tipo de máquina es preferible. Sucintamente, podemos decir aquí que las principales ventajas teóricas de una máquina de eje vertical son:
Puede situar el generador, el multiplicador, etc. en el suelo, y puede no tener que necesitar una torre para la máquina.
No necesita un mecanismo de orientación para girar el rotor en contra del viento. Las principales desventajas son:
Las velocidades del viento cerca del nivel del suelo son muy bajas, por lo que a pesar de que pueden ahorrarse la torre, sus velocidades de viento serán muy bajas en la parte más baja de su rotor.
La eficiencia promedio de las máquinas de eje vertical no es muy grande.
La máquina no es de arranque automático (es decir, una máquina Darrieus necesitará un "empuje" antes de arrancar). Sin embargo, esto es sólo un inconveniente sin importancia, ya que puede utilizar el generador como motor absorbiendo corriente de la red para arrancar la máquina.
La máquina puede necesitar cables tensores que la sujeten, aunque esta solución no es practicable en áreas muy cultivadas.
Para sustituir el cojinete principal del rotor se necesita desmontar el rotor, tanto en las máquinas de eje horizontal como en las de eje vertical. En el caso de las últimas, esto implica que toda la máquina deberá ser desmontada.
Por la orientación del equipo con respecto al viento A barlovento:
Las máquinas corriente arriba tienen el rotor de cara al viento. La principal ventaja de los diseños corriente arriba es que se evita el abrigo del viento tras la torre. Con mucho la mayoría de los aerogeneradores tienen este diseño.
Por otro lado, también hay algo de abrigo enfrente de la torre, es decir, el viento empieza a desviarse de la torre antes de alcanzarla, incluso si la torre es redonda y lisa. Así pues, cada vez que el rotor pasa por la torre, la potencia del aerogenerador cae ligeramente.
El principal inconveniente de los diseños corriente arriba es que el rotor necesita ser bastante inflexible, y estar situado a una cierta distancia de la torre. Además una máquina corriente arriba necesita un mecanismo de orientación para mantener el rotor de cara al viento.
Las máquinas corriente abajo tiene el rotor situado en la cara a sotovento de la torre.
La ventaja teórica que tienen es que pueden ser construidos sin un mecanismo de orientación, si el rotor y la góndola tienen un diseño apropiado que hace que la góndola siga al viento pasivamente.
Sin embargo, en grandes máquinas ésta es una ventaja algo dudosa, pues se necesitan cables para conducir la corriente fuera del generador.
Si la máquina ha estado orientándose de forma pasiva en la misma dirección durante un largo periodo de tiempo y no dispone de un mecanismo de orientación, los cables pueden llegar a sufrir una torsión excesiva.
Un aspecto más importante es que el rotor puede hacerse más flexible. Esto supone una ventaja tanto en cuestión de peso como de dinámica de potencia de la máquina, es decir, las palas se curvarán a altas velocidades del viento, con lo que quitarán parte de la carga a la torre.
El inconveniente principal es la fluctuación de la potencia eólica, debida al paso del rotor a través del abrigo de la torre. Esto puede crear más cargas de fatiga en la turbina que con un diseño corriente arriba. Por el número de palas
Al tener sólo una pala estos aerogeneradores precisan un contrapeso en el otro extremo para equilibrar.
La velocidad de giro es muy elevada.
Su gran inconveniente es que introducen en el eje unos esfuerzos muy variables, lo que acorta la vida de la instalación.
Una aplicación de este tipo de máquinas puede verse en la foto situada al lado.
Dos palas:
Los diseños bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y, por supuesto, su peso.
Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida. Esto supone una desventaja tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual.
La mayoría de los aerogeneradores modernos tienen diseños tripala, con el rotor mantenido en la posición corriente arriba (en la cara de la torre que da al viento), usando motores eléctricos en sus mecanismos de orientación.
Este diseño tiende a imponerse como etándar al resto de los conceptos evaluados. La gran mayoría de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseño.
El concepto básico fue introducido por primera vez por el célebre aerogenerador de Gedser.Un espectacular ejemplo de 72 m de diámetro del rotor y 80 m de altura hasta el eje puede verse en la foto . Multipalas:
Con un número superior de palas o multipalas.
Se trata del llamado modelo americano, debido a que una de sus primeras aplicaciones fue la extracción de agua en pozos de las grandes llanuras de aquel continente.
El mecanismo de orientación de un aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento.
Se dice que la turbina tiene un error de orientación si el rotor no está perpendicular al viento.
Un error de orientación implica que una menor proporción de la energía del viento pasará a través del área del rotor (esta proporción disminuirá con el coseno del error de orientación) Por tanto, la eficiencia del mecanismo de orientación es fundamental para mantener el rendimiento de la instalación. Existe diversos sistemas:
Mediante conicidad
Un motor eléctrico y una serie de engranajes permiten el giro de todo el sistema. La figura muestra el mecanismo de orientación de una máquina típica de 750 kW vista desde abajo, mirando hacia la góndola. En la parte más exterior podemos distinguir la corona de orientación , y en el interior las ruedas de los motores de orientación y los frenos del sistema de orientación.
Mediante una veleta
Es el método más sencillo posible para orientar un aerogenerador.
Se emplea únicamente en los equipos pequeños y tamaño no demasiado grandes.
Mediante molinos auxiliares
Un ejemplo de este tipo de mecanismo de orientación, no demasiado empleado, se muestra en la figura.
Los rotores situados a ambos lados de la góndola son movidos por la propia corriente de aire.
Por el control de potencia
Todos los aerogeneradores deben poseer algún método de control de la potencia generada, con el fin de evitar que se produzcan daños en los distintos componentes de estos equipos en caso de vientos excesivos. Recordemos que la energía del viento aumenta con el cubo de su velocidad. Por ello, se han desarrollado una serie de dispositivos que cumplen exactamente este cometido. Básicamente los podemos clasificar en:
Sistemas de paso variable (ptch regulation)
Este método de control consiste en que las palas varían su ángulo de incidencia con respecto al viento. Cuando la potencia generada es excesiva, las palas comienzan a girar sobre su eje longitudinal hasta adoptar la posición denominada de bandera. La resistencia entonces opuesta al viento es mínima, así como el par ejercido y la potencia generada.
Un sistema electrónico vigila tanto la velocidad del viento, como la potencia generada y la posición de las palas modificando de manera continua la posición de estas y adaptándola a la intensidad de los vientos reinantes en ese momento.
El diseño de aerogeneradores controlados por cambio del ángulo de paso requiere una ingeniería muy desarrollada, para asegurar que las palas giren exactamente el ángulo deseado. El mecanismo de cambio del ángulo de paso suele funcionar de forma hidráulica.
Las ventajas de este sistema de control son:
Con su implantación se logra una mayor vida del aerogenerador, al soportar este menores cargas dinámicas.
Al mismo tiempo se consigue un aumento del rendimiento de la instalación, ya que el viento ataca a los álabes siempre con el ángulo óptimo de incidencia.
Así mismo, es posible el aprovechamiento de regímenes de vientos bajos. Diseño de las palas (stall regulation)
Los aerogeneradores de regulación (pasiva) por pérdidas aerodinámicas tienen las palas del rotor unidas al buje en un ángulo fijo. Sin embargo, el perfil de la pala ha sido aerodinámicamente diseñado para asegurar que, en el momento en que la velocidad del viento sea demasiado alta, se cree una cierta turbulencia en la parte de la pala que no da al viento. Esta pérdida de sustentación evita que la fuerza ascensional de la pala actue sobre el rotor. Conforme aumenta la velocidad real del viento en la zona, el ángulo de ataque de la pala del rotor también aumentará, hasta llegar al punto de empezar a perder la sustentación.
Si se observa con atención la pala del rotor de un aerogenerador regulado por pérdida aerodinámica, llama la atención que la pala esté ligeramente curvada a lo largo de su eje longitudinal. Esto es así en parte para asegurar que la pala pierde la sustentación de forma gradual, en lugar de hacerlo bruscamente, cuando la velocidad alcanza su valor crítico.
La principal ventaja de esta regulación es que se evitan las partes móviles del rotor y un complejo sistema de control. Por otro lado, la regulación por pérdida aerodinámica representa un problema de diseño aerodinámico muy complejo y comporta retos en el diseño de la dinámica estructural de toda la turbina, para evitar las vibraciones provocadas por la pérdida de sustentación.
Aerogeneradores de regulación activa por pérdida aerodinámica
Un número creciente de grandes aerogeneradores (a partir de 1 MW) están siendo desarrollados con un mecanismo de regulación activa por pérdida aerodinámica. Técnicamente, las máquinas de regulación activa por pérdida aerodinámica se parecen a las de regulación por cambio del ángulo de paso, en el
dependiendo de la velocidad del viento).
Sin embargo, cuando la máquina alcanza su máxima potencia nominal, observará que este tipo de máquinas presenta una grandiferencia respecto a las máquinas reguladas por cambio de ángulo de paso: si el generador va a sobrecargarse, la máquina girará las palas en dirección contraria a la que haría una máquina de regulación por cambio de ángulo de paso. En otras palabras, aumentará el ángulo de paso de las palas para llevarlas hasta una posición de mayor pérdida de sustentación, y poder así consumir el exceso de energía del viento.
Una de las ventajas de la regulación activa por pérdida aerodinámica es que la producción de potencia puede ser controlada de forma más exacta que con la regulación pasiva. Otra de las ventajas es que la máquina puede funcionar casi exactamente a la potencia nominal a todas las velocidades del viento. El mecanismo de cambio del ángulo de paso suele operarse mediante sistemas hidráulicos o motores eléctricos paso a paso.
Otros métodos de control de potencia
Algunos aerogeneradores modernos usan alerones (aletas) para controlar la potencia del rotor, al igual que los aviones.
Otra posibilidad teórica es que el rotor oscile lateralmente fuera del viento (alrededor de un eje vertical) para disminuir la potencia. En la práctica esta técnica se usa para aerogeneradores muy pequeños.
12. LOS AEROGENERADORES Y EL MEDIO AMBIENTE
Los aerogeneradores son siempre elementos muy visibles en el paisaje. De lo contrario, no estarían situados adecuadamente desde un punto de vista meteorológico.
La figura muestra el parque eólico de Kappel (Dinamarca). Probablemente sea una de las distribuciones de máquinas eólicas más agradables posibles desde el punto de vista estético. La forma del dique a lo largo de la costa se repite en la línea de las turbinas.
