La energía eólica en los sistemas eléctricos de potencia

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS. FACULTAD DE INGENERÍA ELÉCTRICA CENTRO DE ESTUDIOS DE ELECTROENERGÉTICA (CEE). TRABAJO DE DIPLOMA: La Energía Eólica en los Sistemas Eléctricos de Potencia. Autora Grethel Orozco Acosta. TUTOR Dr. Leonardo Casas Fernández. Santa Clara, Cuba, 2008.

(2) UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS. FACULTAD DE INGENERÍA ELÉCTRICA CENTRO DE ESTUDIOS DE ELECTROENERGÉTICA (CEE). TRABAJO DE DIPLOMA: La Energía Eólica en los Sistemas Eléctricos de Potencia. Autora Grethel Orozco Acosta. E-mail: grethel@.fie.uclv.edu.cu TUTOR Dr. Leonardo Casas Fernández Profesor Titular, CEE Facultad de Ing. Eléctrica. UCLV E-mail: lcasa@fie.uclv.edu.cu Santa Clara, Cuba, 2008.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Eléctrica autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. ___________________ Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada. _____________________. _____________________. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo _____________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica. iii.

(4) PENSAMIENTO:. “La ciencia se compone de errores, que a su ves son los pasos hacia la verdad.” Julio Verne.. iv.

(5) AGRADECIMIENTO:. A mis padres por toda su ayuda y apoyo. A mi tutor Dr. Leonardo Casas Fernández. A todos los que han contribuido con la realización de este trabajo.. v.

(6) DEDICATORIA: A la memoria de mi abuelo Emilio que estaría muy orgullosa de mí.. vi.

(7) TAREA TECNICA. Para alcanzar los objetivos propuestos se deben desarrollar los siguientes aspectos de la Tarea Técnica. 1. Describir la energía eólica entre las fuentes renovables. 2. Valorar el impacto de la energía eólica como fuente de generación de energía eléctrica. 3. Mostrar las tecnologías iniciales y actuales en los parques eólicos. 4. Exponer las posibilidades del aprovechamiento eólico en Cuba. El parque eólico de Corralillo en Villa Clara.. _____________________ Firma del Tutor. _____________________ Firma de la Autora. vii.

(8) RESUMEN El viento es una fuente de energía de la que el hombre tiene conocimiento desde épocas muy antiguas aunque se haya volcado al uso energías menos sanas, sin embargo actualmente con la subida del precio del petróleo y la creciente preocupación por la salud del planeta se le ha comenzado a brindar gran interés. Este trabajo precisamente trata este tema con gran detenimiento, explicando a profundidad temas relacionados con los datos de generación eólica en el mundo, así como las características de las turbinas eólicas, destacando los generadores más modernos y utilizados actualmente, señalando los comportamientos de cada uno ante interferencias en la red y explicando los distintos tipos de conexión. De igual forma se trata el tema de los costos de la generación eólica, siendo esto un tema importante a la hora de abordar cualquier análisis. Por último, se analiza el caso de Cuba y su evolución en la energía eólica, con la que se pretende llegar a generar 300 MW en un plazo relativamente corto con un período de recuperación, de aproximadamente ocho años, y en el cual se generará anualmente alrededor de 650 000 MW.h a un costo estimado de 1 576 US$/kW. Uno de los lugares estudiados para colocar un parque eólico es la zona de Corralillo en Villa Clara, tema que se trata en este trabajo, en el cual se utilizarán generadores provenientes de la firma francesa Vergnet y para cuyo análisis se tomaron dos casos importantes. Con la Subestación de Hoyo Colorado. Sin la Subestación de Hoyo Colorado.. viii.

(9) ÍNDICE Pág. Pensamiento………………………………………………………………………….…..... i Agradecimiento………………………………………………………………….…............ ii Dedicatoria…………………………………………………………………………............ iii Tarea Técnica………………………………………………………………………............ iv Resumen……………………………………………………………………….…….......... v Introducción……………………………………………………………………….............. 1 Capítulo I: Generalidades de la energía eólica 1.1. El problema de la energía en la actualidad..................................................................... 3 1.2. La energía eólica entre las fuentes renovables............................................................... 3 1.3. Historia de la aplicación de la energía eólica................................................................. 4 1.4. Origen de los vientos..............................................................................…………........ 5 1.5. La energía del viento...........................................................…………………............... 7 1.6. Impacto ambiental................................……………….……………………..…........... 8 1.7. Datos generales de la generación eólica en el mundo.................................................... 9 Capítulo II: Parques eólicos: Características y conexión a la red 2.1. Turbinas eólicas…………………………………………………………………......... 11 2.1.1. Elementos principales de las Turbinas eólicas…………………………………....... 12 2.1.1.1. Control de potencia de los aerogeneradores…………………………………........ 13 2.1.2. Turbinas de eje horizontal……………………………………………………........... 14 2.1.3. Turbinas de eje vertical……………………………………………………….......... 15 2.2. Curvas de Potencia…………………………………………………………………….......... 15 2.3. Coeficiente de potencia…………………………………………………………......... 17 2.4. Aerogeneradores. Tipos y características……………………………………….......... 19 2.4.1. Generadores de velocidad fija…………………………………………………........ 19 2.4.2. Generadores de velocidad variable……………………………………………......... 20 2.4.2.1. Generador asincrónico con variación de deslizamiento………………………....... 21. ix.

(10) 2.4.2.2. Generador de inducción simplemente alimentado (SFIG)……………………....... 22 2.4.2.3. Generador de inducción doblemente alimentado (DFIG)……………………........ 23 2.4.2.4. Generador sincrónico con convertidor de frecuencia……………...…………........ 25 2.5. Sistemas de conexión a la red……………………………………………………......... 26 2.6. Costos de la generación de electricidad a partir del viento ………………………...... 28 Capítulo III: La energía eólica en Cuba 3.1. Pronóstico eólico en Cuba……………………………..…………………………........ 32 3.2. Tipos de aerogeneradores más convenientes para utilizar en Cuba………………....... 33 3.2.1. Consideraciones sobre la selección de aerogeneradores atendiendo a la calidad de la energía generada…………………………………….…………..... 35 3.3. Propuesta de Inversión de parques eólicos en Cuba………………………………...... 35 3.4. Turbina eólica considerada en el estudio…………………………………………....... 37 3.4.1. Análisis del parque con Hoyo Colorado…………………………………………..... 38 3.4.2. Análisis del parque sin Hoyo Colorado…………………………………………...... 39 Conclusiones………………………………………………………………………...…...... 41 Recomendaciones…………………………………………………………………..…........ 42 Bibliografía…………………………………………………………………………..…...... 43 Anexos…………………………………………………………………………….……..... 45. x.

(11) INTRODUCCIÓN La energía eólica se ha convertido en la mejor demostración de que las energías renovables pueden contribuir a transformar el modelo energético tradicional, lo que ha ocurrido en un momento en el que el precio del petróleo supera los 140 dólares el barril. La energía eólica puede cubrir en el 2020 el 12% de la generación de energía eléctrica a nivel mundial, estos datos son prometedores ya que estudios recientes indican que a fines del 2020 se instalarán en el mundo 79 341 MW de energía eólica. Sin embargo, en esta alentadora cifra, Latinoamérica no presenta un desarrollo de avanzada a causa, fundamentalmente, de los costos de instalación. La generación de energía eléctrica a partir del viento requiere, para su óptimo funcionamiento, de condiciones de viento favorables, esto es, de cierta intensidad y constancia, así como un correcto diseño. En este aspecto se destacan los generadores de velocidad variable de doble alimentación que en la actualidad son los más modernos y los que presentan un mejor comportamiento ante irregularidades en las redes eléctricas, como es el caso de los huecos de tensión. Cuba, sin embargo, está avanzando paulatinamente en la generación eólica, la que está llamada a ser uno de los pilares de la Revolución Energética. Para este fin, se ha creado un programa que ya está en práctica y que tiene como objetivo instalar 300 MW en parques eólicos hasta el 2010, hasta alcanzar los 3 300 MW de potencia. Como parte de estas acciones ya se ha realizado la construcción de distintos parques eólicos en nuestro país donde los estudios realizados recientemente muestran a la costa norte de Villa Clara (VC) hasta Guantánamo como una región de altas velocidades del viento donde por lo menos ocho zonas han sido identificadas con velocidades medias anuales superiores a 5,7 m/s a 10 m de altura. Dentro de estas zonas se encuentra Corralillo en la provincia de VC, a la cual se la a dado un interés especial en este trabajo. Las turbinas que se propone utilizar en este parque eólico son las GEV MP 275 del proveedor francés Vergnet, las que tienen un generador asincrónico de dos velocidades, siendo esto un criterio importante para la selección de aerogeneradores atendiendo a la calidad de la energía generada producto de sus múltiples beneficios, característica importante para redes débiles como es el caso de Corralillo. Para evaluar el comportamiento del parque se analizaron dos casos importantes, ambos casos en conjunto con los nodos de más cercanos al parque eólico:. 1.

(12) 1- Con la subestación de Hoyo Colorado. 2- Sin la subestación de Hoyo Colorado. Con este trabajo se pretende: Sintetizar los conceptos, criterios y tendencias actuales sobre los aspectos fundamentales de la generación eólica Iniciar la divulgación de las ventajas y beneficios de esta nueva forma de generación de energía eléctrica. Con la realización de este trabajo se le dio solución a los siguientes objetivos: Caracterizar la energía eólica. Sintetizar las principales características de la generación eólica. Exponer las posibilidades de la generación eólica en Cuba. Este trabajo está estructurado en tres capítulos. En el primero se da una panorámica acerca de la energía eólica, su repercusión en el mundo, sus beneficios frente a otras formas de obtención de energía, incluso frente a otras fuentes de energía renovable, también se muestran aspectos interesantes de su historia y datos importantes de la generación eólica en el mundo. En el segundo capítulo se habla de las características de las turbinas eólicas, así como de los generadores eólicos, destacando los más modernos con sus principales características. También se habla de los distintos tipos de conexión a la red, así como de los costos de energía (pesos/kW.h) y el costo de la generación de electricidad a partir del viento. Por último, el tercer capítulo trata de la energía eólica en Cuba, los pronósticos del país para los próximos años, las consideraciones de generadores a utilizar para una óptima calidad de la energía generada y según las normas universales. De igual forma se hace un recuento de los aspectos económico de la inversión del plan eólico puesto en marcha y por último el análisis del parque eólico de Corralillo.. 2.

(13) Capítulo I: Generalidades de la Energía Eólica 1.1. El problema de la energía en la actualidad El viento es una fuente de energía de la cual el hombre tiene conocimiento desde épocas muy antigua, aunque curiosamente se ha volcado al uso de energías menos sanas. En la actualidad el aprovechamiento del viento puede sustituir parcialmente al combustible fósil y así contribuir a la disminución del calentamiento terrestre y la emisión de millones de toneladas de dióxido de carbono. Un estudio de Naciones Unidas de 1995 [21] sobre cambio climatológico determinó que la temperatura global promedio aumentó entre 0.3 y 0.6 ºC en comparación con los índices preindustriales, por lo que un paso fundamental para mitigar la emanación de gases nocivos a la atmósfera es cambiar el modelo de obtención de energía, y la eólica se erige como la más limpia, competitiva y menos destructiva. A diferencia de otras fuentes de energía sus costos están bajando como consecuencia del avance tecnológico en la producción de los equipos necesarios y la complementación con la más moderna tecnología electrónica, sobre todo, puede ayudar eficazmente a disminuir en forma drástica la emisión de dióxido de carbono a la atmósfera. 1.2. La energía eólica entre las fuentes renovables Las fuentes renovables de energía son aquellas que se regeneran y son tan abundantes en la Tierra que perdurarán por millones de años, las usemos o no; además, su impacto sobre el entorno es mínimo por lo que se les considera energías limpias La utilización de la energía eólica dentro de las fuentes renovables es la que está creciendo más rápidamente y, si los gobiernos le asignan el apoyo necesario, podría cubrir en el 2020 el 12% de toda la fuente de generación de electricidad mundial [14], [6]. La energía eólica requiere condiciones de intensidad y regularidad en el régimen de vientos para poder aprovecharlos, se considera que vientos con velocidades promedio entre 5 y 12.5 m/s son los aprovechables [6]. Desde tiempos remotos las sociedades organizadas han utilizado el viento como fuente de energía, demostrando en la actualidad que es la más barata y menos contaminante junto con la del sol. La eólica en particular ofrece como beneficios la no generación de residuos peligrosos y el hecho de depender de un recurso inagotable.. 3.

(14) 1.3. Historia de la aplicación de la energía eólica El uso más antiguo de la energía eólica del que se tiene documentación es como medio de locomoción. Existen dibujos egipcios, de 5 000 años de antigüedad, que muestran naves con velas utilizadas para trasladarse por el Nilo. Las primeras máquinas eólicas que se conocen datan del siglo VI a.n.e, de eje vertical (Anexo 1 Fig. 1) y se las utilizaba para moler granos y bombear agua en la región de Sijistán. Existen indicios, aunque no demostrados, de que el uso de estos molinos, denominados panémonas, se remonta según distintos autores a entre 200 y 500 años a.n.e. Con posterioridad, y especialmente en las islas griegas del Mediterráneo, se desarrollaron molinos de viento de eje horizontal (Anexo 1 Fig. 2) cuya principal característica fue la utilización de velas triangulares a modo de palas [6]. En el siglo XIV los holandeses tomaron el liderazgo en el mejoramiento de los molinos y comenzaron a utilizarlos extensivamente para drenar las regiones pantanosas. A comienzos del siglo XVI se empezaron a utilizar para el drenaje de "polders", empleándose máquinas de hasta 37 kW (50 HP) cada una, (Anexo 1 Fig. 3). A mediados del siglo XIX cerca de 9000 molinos operaban en Holanda con diferentes propósitos, algunos de hasta 65 kW (90 HP), y. en. Dinamarca al finalizar el siglo XIX, cerca de 3000 molinos eran utilizados con fines industriales y cerca de 30.000 en casa y granjas, proveyendo una potencia equivalente a 200 MW [6]. Como en otras regiones del mundo, la aparición de alternativas más baratas de abastecimiento energético hizo que paulatinamente fueran reemplazándose por máquinas térmicas o motores eléctricos alimentados desde las redes, haciendo que el uso del recurso eólico quedase relegado a satisfacer necesidades puntuales en medios rurales o comunidades aisladas, sin ninguna participación en el mercado energético. La toma de conciencia sobre la agotabilidad de los recursos energéticos no renovables (o de los renovables no debidamente utilizados), la creciente preocupación por el impacto sobre el medio ambiente de los combustibles fósiles y la energía nuclear, así como la reciente inestabilidad en los precios del petróleo, intensificaron la búsqueda de alternativas de abastecimiento energético y entre estas renace el interés por el recurso eólico. Los logros alcanzados en el plano de la investigación - desarrollo y, más aún, en las tecnologías de producción de turbinas eólicas, han hecho que, en el presente, el recurso eólico haya dejado de ser una potencial alternativa de abastecimiento para convertirse en una realidad y una opción más en el mercado de la generación eléctrica. [6]. 4.

(15) 1.4. Origen de los viento La disipación de calor desde la superficie terrestre por acción de la radiación solar es el principal causante de los vientos. El sol irradia 174.423 TW.h de energía hacia la tierra y esta energía, en lugares favorables, puede ser del orden de 2.000 kW.h/m2 anualmente [1]. Es importante señalar que la velocidad del viento varía continuamente con la altura y el tiempo, alrededor de 10 metros sobre el suelo (Anexo 1 Fig. 4) y depende fundamentalmente de la naturaleza del terreno sobre el cual se desplazan las masas de aire (Fig. 1.1). El Laboratorio Nacional de Brookhaven (Nueva York) registró la frecuencia de velocidades (espectro) en función del periodo de tiempo dedicado a realizar las mediciones de velocidad [1], [12].. Figura 1. 1. Las escalas de tiempo de las variaciones de los vientos.. De la Figura 1.1 podemos destacar lo siguiente: • Para diferentes emplazamientos, el espectro, aún pudiendo tener variaciones, es cualitativamente parecido. • Existe una zona, llamada valle espectral, donde las variaciones del régimen de velocidad no son muy diferentes. Esa zona separa las variaciones turbulentas de las variaciones diarias. • El valor de 10 minutos u orden de magnitud similar es una buena referencia para realizar mediciones de viento.. 5.

(16) También se obtiene la curva de velocidad del viento promedio diaria, o patrón diario del viento, referida a promedios horario de la velocidad del viento (Fig. 1.2) del parque eólico de Gibara, la cual es muy útil desde el punto de vista de generación, pues permite conocer los horarios del día con mayor y menor aporte energético del viento, información muy importante a la hora de operar un parque eólico.. Figura 1. 2. Variación del viento en Gibara.. La variación de velocidad puede representase mediante la siguiente expresión [1]: ⎛h ⎞ V2 = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ V1 ⎝ h2 ⎠. α. (1). Donde V1 < V2 representan las velocidades del viento a las alturas h1 < h2, respectivamente. El exponente α caracteriza el terreno, pudiendo variar entre 0,08 (sobre superficies lisas como hielo, lagunas, etc.) y 0,40 (sobre terrenos muy accidentados) [6]. Alguna bibliografía [7] considera α = 1/2 para velocidades de viento menores de 8 km./h, α = 1/5 para velocidades de 8 a 56 km./h y α = 1/7 para velocidades superiores a los 56 km./h. Por lo que mientras más alta es la torre más energía se obtiene. Pero esto demanda también mayor costo, de modo que en la práctica hay que balancear la ganancia de energía con el costo extra que resulta por incrementar el tamaño de la torre.. 6.

(17) Los recursos eólicos se caracterizan por una escala de clases de viento según su velocidad, que se extiende desde la clase 1 (la más baja) a la clase 7 (la más alta). (Tabla 1) [7]. Tabla 1: Variación de la altura para distintas clases de viento. Clase 1 2 3 4 5 6 7. a 30 m de altura Velocidad del Potencia del viento (m/s) viento (W/m2) 0 - 5.1 0 - 160 5.1 - 5.9 160 - 240 5.9 - 6.5 240 - 320 6.5 - 7.0 320 - 400 7.0 - 7.4 400 - 480 7.4 - 8.2 480 - 640 8.2 - 11.0 640 - 1600. a 50 m de altura Velocidad del Potencia del viento (m/s) viento (W/m2) 0 - 5.6 0 - 200 5.6 - 6.4 200 - 300 6.4 - 7.0 300 - 400 7.0 - 7.5 400 - 500 7.5 - 8.0 500 - 600 8.0 - 8.8 600 - 800 8.8 - 11.9 800 - 2000. 1.5. La energía del viento. La energía del viento no es más que la energía cinética de éste y se determinada por la ecuación: E=. 2 1 mV , 2. (2). donde: m = masa del aire (kg.), V = velocidad del viento (m/s), E = energía (Joules). Uno de los parámetros más importantes en el tratamiento de cualquier fuente energética es la potencia. En este caso, cuando se instala una turbina eólica, lo que se hace es interceptar una cierta cantidad de aire en un área del tamaño A que viene a ser el área de la turbina eólica, también se llama el área barrida por la máquina eólica si suponemos esta perpendicular a la dirección del viento, el flujo de aire circulante que la atraviesa será [6], [7]: m = dAV. (3). donde: d = densidad del aire (kg/m3), A = área de captación (m2).. 7.

(18) En dicha área se produce la transformación de la energía cinética del viento, o quizás deba decirse la potencia cinética del viento en potencia mecánica [6], [7]. La ecuación que determina la potencia del viento es: P=. 3 1 ρAV 2. (4). donde: P = potencia (W),. ρ = densidad del aire, la que depende de la temperatura (kg./m³). Para considerar las pérdidas de transformación de la máquina se introduce el llamado coeficiente de potencia (Cp), que es la eficiencia de conversión de las turbinas eólicas, y expresa qué cantidad de la potencia total del viento incidente es realmente capturada por el rotor, obteniéndose la ecuación de comportamiento de las turbinas eólicas de la forma que sigue. real Protor = ½(ρCpηAV 3 ). (W). (5). donde. η es el rendimiento eléctrico/mecánico [16]. En esta ecuación se observan los elementos de juicio imprescindibles para la elección del aerogenerador y del sitio de emplazamiento:. ρ: es imprescindible para una zona con alta densidad del viento preponderante; Cp, η, A: imprescindible para la elección del aerogenerador; V 3 : es imprescindible para una buena medición del viento. Mariano Faiella (2005) cita a otros autores que demuestran que el máximo valor posible a obtener para el Cp es de 0.592593. En la práctica, este valor es inalcanzable, pues los valores que llegan a obtenerse están entre 0.4 y 0.5 para generación de electricidad y entre 0.3 y 0.4 para el bombeo de agua usando las tecnologías modernas. Para el caso de las máquinas artesanales, los coeficientes de potencia oscilan entre 0.15 y 0.20 dependiendo de los materiales y los modelos utilizados [7]. 1.6. Impacto ambiental. De todas las tecnologías de obtención de energía de fuentes renovables, la energía eólica es la que más atención ha recibido desde el punto de vista ambiental. 8.

(19) La energía eólica tiene claras ventajas medioambientales, ya que su reducido impacto ambiental, es significativamente menor que el de las fuentes de energía convencionales. Estas son: no existe minería, es decir, no hay grandes movimientos de terreno, ni arrastre de sedimentos, ni alteración de cauces de agua. Gracias a la energía eólica y a toda la infraestructura que conlleva se genera un número importante de puestos de trabajo; según la revista World Watch, en España se han creado más de 5 000 empleos en la industria eólica [6]. A pesar de que las plantas eólicas presentan un impacto ambiental relativamente pequeño en comparación con otras fuentes de energía convencionales, existe cierto rechazo principalmente por parte de los naturalistas. La mayor parte de estos problemas se han solucionado o reducido mediante el desarrollo tecnológico o una adecuada ubicación de las plantas eólicas [14]. La utilización masiva en máquinas gigantes ha sido estudiado cuidadosamente y la Organización Meteorológica Mundial (WMO), en un informe técnico emitido en 1981, señala como impedimentos ambientales al uso de los grandes generadores eólico [14]. Por último, destacar el hecho de que el viento es una fuente de energía intermitente, y no siempre está presente cuando se le necesita, por tanto, el uso de la energía eólica para el autoabastecimiento de electricidad requiere de elementos acumuladores, lo cual encarece la instalación [14]. 1.7. Datos generales de la generación eólica en el mundo. Tanto la Unión Europea en general, como un gran número de países a nivel particular, han establecido normativas para favorecer el desarrollo sostenible basado en la generación de electricidad mediante energías renovables, entre las cuales se encuentra la energía eólica jugando un papel muy importante. La potencia instalada en Europa al final del 2005 era de 40.00 MW aproximadamente, y se prevé instalar para el 2010 en Europa 75.000 MW de energía eólica que equivale al 5.5 % de la demanda eléctrica europea [11]. En la Tabla 2 se observa la evolución de la potencia eólica instalada en España. Este es uno de los países más desarrollados en cuanto a la generación a partir de las energías renovables y que además tiene como pronóstico para el 2010 generar unos 20.165 MW mediante energía eólica [11].. 9.

(20) Tabla 2: Evolución de potencia eólico instalada en España. Año 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006. Mw. 2.235 3.337 4.825 6.203 8.263 10.027 11.615. 12 10 8 6 4 2 0. 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006. Las perspectivas de desarrollo de la energía eólica a nivel mundial son, cuando menos, prometedoras. Numerosos países están instalando parques eólicos en terrenos con condiciones de viento favorables y también parques eólicos de gran potencia dentro del mar (instalaciones offshore). En la Tabla 3 se observa la potencia eólica instalada a nivel mundial hasta finales del 2007 de algunos países [17]. Para 2010, la Asociación Mundial de Energía Eólica (World Wind Energy Association) espera que hayan instalados 160.000 MW, lo que implicaría un crecimiento anual más del 15% [18]. Tabla 3. Potencia Eólica instalada a nivel mundial Nación 2005 2006 Alemania 18415 20622 España 10028 11615 USA 9149 11603 Dinamarca 3136 3140 China 1260 2604 Canadá 683 1459 Brasil 29 237 México 3 88 Resto de Europa 129 163 Resto de América. 109 109 Total mundo Mw. 59091 74223. 2007 21283 12801 12634 2956 1670 79341. 10.

(21) Capítulo II: Parques eólicos: Características y conexión a la red La conexión de los parques eólicos a las redes eléctricas presenta diversos problemas entre los que se encuentran la naturaleza del elemento de conversión electromecánico de energía (la máquina asincrónica) y de la característica aleatoria de la fuente de energía primaria (el viento). La máquina asincrónica carece de capacidad de regulación de tensión y frecuencia y requiere potencia reactiva para su funcionamiento, por lo que es preciso, que la red a la que esté conectada proporcione la potencia reactiva que necesita y mantenga la tensión y frecuencia en sus bornes ante variaciones de la carga. Por otro lado, la potencia desarrollada por la turbina eólica que acciona el generador asincrónico depende de la velocidad del viento, que es variable. Estos problemas pueden tener diferentes impactos dependiendo de las características de la red a la que está conectado el parque: red aislada o sistema interconectado. En cualquier caso, la conexión de un parque eólico a una red requiere la realización de estudios detallados tanto de régimen permanente como de régimen dinámico para valorar con precisión su impacto. 2.1. Turbinas eólicas. Las turbinas eólicas se diseñan para convertir la energía del viento (energía cinética) en energía mecánica, mediante el movimiento de un eje. Hay tres leyes físicas básicas que gobiernan la cantidad de energía aprovechable del viento (Fig. 2.1) [8]. •. La primera ley indica que la energía generada por la turbina es proporcional a la velocidad del viento al cuadrado,. •. La segunda ley muestra que la energía disponible es directamente proporcional al área barrida de las paletas (la energía es proporcional al cuadrado de la longitud de las paletas). •. La tercera ley indica que existe una eficacia teórica máxima de los generadores eólicos del 59% [8].. En la práctica, la mayoría de las turbinas de viento son mucho menos eficientes, y se diseñan diversos tipos para obtener la máxima eficiencia posible a diversas velocidades del viento, obteniendo así en los mejores generadores eólicos una eficiencia del 35% al 40% [8].. 11.

(22) Figura 2. 1. Comparación entre las potencias.. La Figura 2.1 consta 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. En la misma Figura el área gris bajo la curva (a lo largo del eje horizontal) expresa la cantidad de potencia eólica por m2 de flujo de viento. El área malva bajo la curva indica qué cantidad de potencia eólica puede teóricamente convertir en potencia mecánica (según la ley de Betz, será 0.592593 de la potencia total del viento). El área verde bajo la curva muestra cuál será la potencia eléctrica que un aerogenerador producirá en dicho emplazamiento [22]. 2.1.1. Elementos principales de las turbinas eólicas Los elementos principales de cualquier turbina de viento son: rotor, caja de engranajes, generador, equipo de control y monitoreo, y la torre (Anexo 2 Figura 6). Rotor Las turbinas de viento modernas de gran escala típicamente se equipan de rotores de tres palas con extensiones de 42 a 80 metros (138 a 262 pies) de diámetro. 12.

(23) Caja de engranajes Los engranajes se utilizan para aumentar la frecuencia para la producción eléctrica. Generador Las turbinas de gran escala generalmente contienen generadores con capacidades entre 600 kilovatios y 2 MW. Torre Un aspecto particularmente importante del diseño de torres es la eliminación de la resonancia entre la gama de frecuencias de las paletas que rotan y la frecuencia de resonancia de la torre. Además de estos componentes básicos se requieren otros componentes para el funcionamiento eficiente y correcto del aerogenerador en base a la calidad de servicio de la energía eléctrica, alguno de ellos son: Controlador electrónico Unidad de refrigeración Anemómetro y la Veleta 2.1.1.1. Control de potencia en los aerogeneradores Pitch controlled El control de la potencia por variación del ángulo de paso de las palas, (control del par torsor para evitar sobrecargas en la caja multiplicadora y en el generador), es un proceso mecánico, lo que implica que el tiempo de reacción del mecanismo de cambio del ángulo de paso viene a ser un factor crítico en el diseño de la turbina. En un generador se puede empezar a aumentar el deslizamiento una vez que se esté cerca de la potencia nominal de la turbina. La estrategia de control, aplicada en un diseño ampliamente utilizado en turbinas danesas, es la de hacer funcionar el generador a la mitad de su deslizamiento máximo cuando la turbina está funcionando próxima a su potencia nominal. Se diferencian dos estrategias de control de potencia, las que dependen de que la potencia generada esté por encima o por debajo del régimen de funcionamiento nominal: a) Cuando sopla una ráfaga de viento que supera la potencia nominal, las señales del mecanismo de control hacen que el deslizamiento aumente permitiendo que el rotor gire un poco más rápidamente, hasta que el mecanismo de cambio de paso de las palas pueda hacer frente a la situación, orientándolas para mantener su potencia. 13.

(24) nominal haciendo que el deslizamiento disminuya trabajando de acuerdo a sus condiciones nominales. b) En caso de que el viento caiga de repente, el mecanismo aplicado es el inverso. El control comprueba varias veces por segundo la potencia generada, al igual que en el caso anterior, y como interesa capturar la máxima energía posible del viento, el control modifica el ángulo de paso al óptimo. [15]. Stall controlled Denominados también regulados por perdida de aerodinámica, las palas del rotor están fijas al eje, las palas del rotor han sido aerodinámicamente diseñadas de tal manera que a medida que aumenta la velocidad del viento se produce paridad de potencia por turbulencias y así se regula la potencia generada [8]. Por alerones Esta técnica consiste en cambiar la geometría de las palas del rotor, sin embargo esto produce fuerzas que pueden dañar la estructura, por lo tanto es usada solamente en generadores de baja potencia [8]. Hay varios puntos de vista para clasificar las turbinas eólicas. El más difundido es aquel que considera la posición del eje; según esto, se clasifican en turbinas eólicas de eje horizontal y de eje vertical. 2.1.2. Turbinas de eje horizontal Los aerogeneradores de eje horizontal, con el eje paralelo a la dirección del viento, son en la actualidad los más difundidas y con mayores rendimientos, algo muy importante en el momento de comenzar un diseño. En este grupo se incluyen aquellos que tienen de una a cuatro palas, además de las típicas multipalas para el bombeo de agua. Entre estas máquinas se distinguen aquellas que tienen las palas situadas de "cara al viento”, para potencias inferiores a 1 kW y aquellas que las tienen de "espalda al viento" para potencias superiores a 1 kW. Los aerogeneradores de eje horizontal con el eje perpendicular a la dirección del viento más significativos son, el de perfil oscilante y el sistema de captación con palas batientes. Estos sistemas han sido estudiados ampliamente; también se han construido otros prototipos, pero presentan más inconvenientes que ventajas; en especial necesitan sistemas de orientación igual a los de eje horizontal paralelo al viento. [9].. 14.

(25) 2.1.3. Turbinas de eje vertical. Los aeromotores de eje vertical son presumiblemente, las primeras máquinas que se utilizaron para la captación de energía eólica, son conceptualmente más sencillas que las de eje horizontal; no necesitan de ningún sistema de orientación, lo que constituye una ventaja constructiva nada despreciable. En funcionamiento, las palas, los rodamientos y los ejes, no están sometidos a esfuerzos importantes por cambios de orientación, son de fácil construcción; sin embargo tienen la gran desventaja de poseer un rendimiento poco estimulante (el rotor Savonius alcanza un 20% del límite de Betz), es por ello que no se experimentó un gran desarrollo en estos equipos [9]. Existen tres grandes familias de turbinas de eje vertical: Turbinas derivados del rotor de Savonius: Esencialmente utilizan el arrastre diferencial creado por las palas que pueden ser de diversas formas. El par de arrastre es elevado, pero la velocidad máxima es claramente inferior a la de los rotores de eje horizontal (Anexo 2 Figura 7) [9]. Turbinas derivados del rotor Darrieus. (Patentado en 1931): Emplea la sustentación de las palas y están caracterizados por débil par de arranque y velocidad de rotación elevada que permite la recuperación de una gran potencia y su coeficiente de potencia llega a valores altos, teóricamente hasta Cp = 0.48, e incluso mayores [9]. Para mejorar el par de arranque se pueden acoplar otro tipo de rotores haciéndolo mixto, por ejemplo: (Savonius-Darrieus). Lo cual afectara seguramente otras propiedades, siendo necesario buscar las condiciones óptimas (Anexo 2 Figura 8) [9]. Estas máquinas de eje perpendicular son susceptibles de competir con los aerogeneradores rápidos, bipalas y tripalas de eje horizontal; siendo en la actualidad objeto de estudio y desarrollo. 2.2. Curvas de Potencia. La característica que define a un aerogenerador específico es su curva de potencia, que nos da la potencia que es capaz de suministrar el aerogenerador para cada velocidad de viento (Fig. 2.2). Cuando el viento supera la velocidad mínima V conex la máquina comienza a suministrar potencia aumentando ésta a medida que aumenta la velocidad del viento, hasta que éste alcanza una velocidad V. nom. que se corresponde con la potencia nominal del generador; para velocidades. superiores los sistemas de control mantienen constante la potencia, evitando una sobrecarga en la turbina y en el generador. Las curvas que relacionan la velocidad del viento, con el número de. 15.

(26) horas de funcionamiento del aerogenerador, t = f (v), indican el número de horas al año en que la velocidad del viento supera un cierto nivel [3]. A partir de estas curvas se puede obtener la curva de potencia disponible del viento, y la curva de potencia eléctrica suministrada por el aerogenerador. El área encerrada por esta última, proporciona la energía eléctrica generada en un año, siendo frecuente expresar estas potencias y energías, por unidad de superficie barrida por el rotor. [3]. El comportamiento medio de la Curva de Potencia puede ser dividido en cuatro regiones características en función de la velocidad del viento tal como se detalla en la tabla siguiente (Tabla 4) [5]. Tabla 4 Comportamiento de la curva de potencia en función de la velocidad del viento. Región de Operación. Rango de velocidad típico [m/seg.]. Región 1. 0-4. Región 2. 4-12. Región 3. 12-20. Región 4. 20-25. Característica Operativa Vientos demasiados débiles para producir potencia eléctrica Producción de electricidad creciente con la velocidad del viento Producción de electricidad constante Sin producción eléctrica. Los vientos son demasiados energéticos. La turbina permanece parada. La gráfica que se agrega (Fig. 2.9) corresponde a distintos equipos comerciales, en los que se observa un comportamiento similar al de la Tabla 4 en la cual se comienza a entregar potencia cerca de los cuatro a cinco m/s, alcanzando su potencia nominal cerca de los 15 a 16 m/s y tiene una velocidad máxima admisible de operación, que para algunos equipos es de 25 m/s, mientras que otros se detienen al alcanzar los 20 m/s.. 16.

(27) 1500 1250 1000 750 500 250 0. 5. 0. 10. 15 Velocidad (m/s).. 20. 25. 30. Figura 2. 2. Curva de potencia de distintos aerogeneradores. En una máquina eólica se pueden considerar tres velocidades características para el viento [3], [12]: Velocidad de conexión:. Vconex es la velocidad por encima de la cual se genera energía. Por debajo de esta velocidad toda la energía extraída del viento se gastaría en pérdidas y no habría generación.. Velocidad nominal:. Vnom es la velocidad para la cual la máquina eólica alcanza su potencia nominal. Por encima de esta velocidad la potencia extraída del viento se puede mantener constante.. Velocidad de desconexión: Vemb es la velocidad por encima de la cual la máquina eólica deja de generar, porque se embala; los sistemas de seguridad comienzan a actuar frenando la máquina, desconectándola de la red a la que alimenta. 2.3. Coeficiente de potencia. El rendimiento Cp (o coeficiente de potencia) depende del tipo de máquina y de las condiciones de operación. En la Figura 2.3 se representan los rendimientos típicos de diversos tipos de rotores eólicos referidos a la relación entre la velocidad de la punta de las palas en los rotores de eje horizontal (o del punto más alejado del eje de rotación en el caso de los rotores de 17.

(28) eje vertical tipo Darrieus y Savonius) y la velocidad del viento también conocido como TSR (Tip-Speed-Ratio, un término que sustituye al número de revoluciones por minuto n, del rotor y se utiliza para comparar el funcionamiento de diferentes máquinas eólicas, por lo que también se le suele denominar velocidad específica.) [3]. Con las características de una turbina eólica y la velocidad del viento en un instante dado, es sencillo determinar la potencia útil. El problema radica en que la velocidad del viento no es constante y, por lo tanto, es necesario conocer su evolución temporal para estimar la energía útil. Coeficiente de potencia C p. que una turbina eólica es capaz de entregar en un período determinado [3].. Velocidad específica λ Figura 2. 3. Coeficiente de potencia para diferentes tipos de tecnología.. De esta Figura se pueden obtener las siguientes conclusiones: . Las turbinas de rotor multipala y las de rotor Savonious logran su Cp para velocidades pequeñas.. . Las turbinas de tipo Darrieus y tipo hélice son las que logran un Cp mayor.. . Todas las turbinas se quedan por debajo del límite de Best (0.59) y para poder llegar a este valor la velocidad debe ser infinita.. 18.

(29) 2.4. Aerogeneradores. Tipos y características Los generadores asincrónicos pueden clasificarse en dos grandes grupos: generadores de velocidad fija y generadores de velocidad variable. Los de velocidad fija fueron los primeros en ser utilizados para aprovechar la energía eólica, y aunque hoy en día todavía se pueden encontrar en numerosos parques eólicos, la industria eólica ha ido evolucionado hacia los aerogeneradores de velocidad variable, debido, en primer lugar, a su mayor eficiencia energética, y en segundo lugar, a la mejor calidad de onda que producen. 2.4.1. Generadores de velocidad fija En los generadores de velocidad fija (Fig. 2.4) la energía eléctrica se genera mediante sencillos generadores de inducción con rotor en jaula de ardilla conectados directamente a una red trifásica por el estator [3], [14]. El rotor de la turbina se acciona por el viento a una velocidad reducida (alrededor de 30 rpm). La mayoría de los aerogeneradores de gran potencia que operan hoy en día en parques eólicos son de este tipo. El mayor inconveniente de estos generadores se presenta cuando rachas fuertes de viento inciden sobre la turbina. El aumento de potencia de entrada que esta acción conlleva no puede ser absorbido por el aerogenerador incrementando la velocidad de rotación de las palas, por lo que se produce una rápida y fuerte variación en la potencia eléctrica de salida, lo que da lugar a perturbaciones indeseables como el flicker [3]. El deslizamiento del generador varía con la energía generada cuando varía la velocidad, y es función de la resistencia del devanado del rotor, es decir, a mayor resistencia mayor deslizamiento. El generador asincrónico demanda energía reactiva de la red, lo cual es otro inconveniente desde el punto de vista de la red eléctrica; el consumo de energía reactiva de un generador de rotor de jaula bobinada se compensa y corrige con bancos de capacitores [3].. Figura 2. 4. Generador de inducción con conexión directa a la red.. 19.

(30) 2.4.2. Generadores de velocidad variable En las máquinas de velocidad variable, el exceso de potencia se emplea en aumentar la velocidad de rotación del rotor, manteniendo la potencia eléctrica de salida prácticamente constante, por lo que la calidad de la energía que entregan es superior. [14] Los generadores de velocidad variable, son máquinas dotadas con diversos sistemas de control de velocidad, de modo que la turbina pueda acelerarse o frenarse dependiendo de las condiciones del viento. Según diversos estudios, la eficiencia de estos tipos de generadores es entre un 10% y un 30% mayor que la de los convencionales [14]. Sus ventajas principales son un aumento de la captación de energía, la mejora de la calidad de potencia y la reducción de tensión mecánica en la turbina eólica. Sus desventajas son las pérdidas en la electrónica de potencia, la utilización de un mayor número de componentes y el aumento de los costos de los equipos, debido a la electrónica de potencia. También en los generadores de velocidad variable se espera que el rendimiento y coeficientes de parpadeo sea bastante bajo, mientras que en los aerogeneradores de velocidad fija los valores pueden ir desde media (Stand-controlada) a alto (afinación controlada) [1]. En la Figura 2.5 se observa la curva de potencia que muestra el comportamiento de los generadores de paso fijo y paso variable [19]; donde si se comparan ambas curvas se concluye que los generadores de paso variable para una velocidad del viento menor que los de paso fijo logran mantener su potencia sin que esta presente fluctuaciones como ocurre en el caso de los de velocidad fija.. Figura 2.5. Curva de potencia comparativa de generadotes paso fijo y paso variable.. 20.

(31) En los aerogeneradores, se consideran tres efectos principales. Estos son: 1. Las fluctuaciones causadas por las cuchillas cuando pasan cerca de la torre (el llamado "efecto de sombra"). 2. Diferentes amplitudes causadas por la variable velocidad del viento. 3. Armónicos de tensión causados por la electrónica de potencia. El último tipo de perturbación se puede superar si se usa un filtro a la salida del convertidor. Sin embargo, los dos primeros tipos de perturbación tienen constantes de tiempo demasiado grande para ser filtradas por los componentes eléctricos pasivos. Se puede reducir en gran medida el primer tipo de perturbación si se realiza una fuerte conexión a la red utilizando un aerogenerador de velocidad variable. En la Figura 2.6 se ilustra la potencia de salida de un. 25. 25. 20. 20. Potencia (kW). Potencia (kW). aerogenerador de velocidad fija [2].. 15 10 5 0. 0. 20. 40 60 Tiempo (s).. 80. 100. Figura 2.6. Fluctuaciones de potencia de los generadores de velocidad fija.. 15 10 5 0. 0. 20. 40 60 Tiempo (s).. 80. 100. Figura 2.7. Fluctuaciones de potencia de los generadores de velocidad variable.. En la Figura 2.7 se ilustra la potencia de salida de un aerogenerador de velocidad variable sometido a las mismas condiciones de viento. La diferencia se explica por la capacidad variable de la velocidad del sistema para reducir o aumentar la velocidad en caso de variación de par. La gran inercia del rotor de la turbina se utiliza para almacenar energía mecánica, y por lo tanto, actúa como un filtro natural [2]. A continuación se presentan los aerogeneradores de velocidad variable más usuales [1]. 2.4.2.1. Generador asincrónico con variación de deslizamiento Estos generadores constan de un sistema multiplicador, y unas resistencias del rotor variables y se muestra en la Figura 2.8. Al variar la resistencia del rotor se varía el deslizamiento entre 1 y. 21.

(32) 10 %, lo que permite a los aerogeneradores absorber los golpes de viento, reduciendo las cargas extremas sobre el multiplicador, a la vez que se genera una potencia eléctrica sin fluctuaciones. El sistema necesita compensación de energía reactiva mediante bancos de capacitores [3]. El control de orientación de las palas es relativamente sencillo, el aumento de precio es pequeño y el generador sigue siendo un generador estándar de jaula de ardilla, al que se le añade un módulo de resistencias variables en la parte posterior. El deslizamiento puede empezar a aumentar cuando esté cerca de la potencia nominal de la aeroturbina, funcionando el generador en estas circunstancias aproximadamente a la mitad de su deslizamiento máximo. Con una ráfaga de viento, las señales del mecanismo de control hacen que el deslizamiento aumente para permitir que el rotor gire un poco más rápidamente hasta que el mecanismo regulador del cambio del ángulo de paso de las palas pueda hacer frente a la situación; a partir de este momento, el deslizamiento disminuye [3].. Figura 2.8. Generador de inducción con control de deslizamiento.. 22.

(33) 2.4.2.2. Generador de inducción simplemente alimentado (SFIG) Esta variante está acoplada directamente a la red (Fig. 2.9) utilizando convertidores de corriente alterna a corriente directa (AC/DC) seguido de compensador de potencia reactiva centralizado y posteriormente un convertidor de corriente directa a corriente alterna (DC/AC); con lo cual se mantiene la frecuencia. En este caso el costo aumenta debido a la utilización de la electrónica de potencia. Como se aprecia, hay tres partes importantes en estos sistemas: generador, corriente directa (DC)-rectificador y corriente alterna AC-inversor. El primer paso es convertir la corriente fluctuante en DC. A continuación la DC se invierte a la AC con exactamente la misma frecuencia que la red pública. El inversor produce clases diferentes de armónicos que se tienen que filtrar antes de alcanzar la red pública. [15].. Figura 2.9. Generador de inducción simplemente alimentado (SFIG). 2.4.2.3. Generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) Este sistema que se muestra en la Figura 2.10 está formado por un sistema multiplicador y un generador asincrónico cuyo estator está conectado directamente a la red y cuyo rotor lo está a través de dos convertidores de frecuencia, con esta estructura se consigue regular la velocidad del sistema en un rango alrededor de la velocidad nominal, y su principal característica es que puede ser alimentado tanto del estator como del rotor. Los convertidores no deben soportar toda la potencia de la máquina, sino sólo una fracción de ella, resultando de ésto un equipo. 23.

(34) electrónico más sencillo. Al poder variar la velocidad, se aproxima más a puntos de rendimiento aerodinámico más alto [3].. Figura 2.10. Generador de inducción doblemente alimentado (DFIG). Comportamiento respecto a la red Las turbinas de velocidad variable y generador doblemente alimentado (DFIG: Doubly Fed Induction Generator) tienen unas posibilidades de control mayores. La regulación de tensión se puede hacer actuando sobre la parte del convertidor conectado a la red controlando su corriente Id. Se puede absorber o producir potencia reactiva aunque su rango de variación depende de las dimensiones del convertidor [15]. La regulación de la frecuencia se alcanza actuando sobre la parte del convertidor del lado del rotor, que hace variar el par y, por consiguiente, la potencia entregada; sin embargo, su capacidad para poder soportar huecos de tensión es limitada; ante huecos importantes se deberá desconectar de la red. No obstante, existen soluciones para evitar esta desconexión en base al uso de IGBT (Isolated-gate Bipolar Transistor) sobredimensionados y a separar transitoriamente el estator de la red mediante un dispositivo electrónico, lo que evita que se reflejen las corrientes estatóricas elevadas en el rotor por efecto transformador [15]. También se puede cortocircuitar el rotor por medio de un dispositivo llamado active crowbar con dos disposiciones de diodos o tiristores situados entre el rotor y la parte del convertidor conectado a él, con lo que se evita que las elevadas corrientes del rotor entren en el convertidor y. 24.

(35) posteriormente, una vez que se detecta que se han alcanzado valores normales, volver a conectar el convertidor. [15] 2.4.2.4. Generador sincrónico con convertidor de frecuencia Este sistema es el más complejo de todos. El sistema multiplicador se elimina por un generador sincrónico multipolo, empleándose para variar la velocidad en el estator dos convertidores que controlan toda la potencia de la máquina (Fig. 2.11). Las ventajas de este sistema son: • La mejora del rendimiento aerodinámico • La potencia de salida sin fluctuaciones • El control de la energía reactiva • La eliminación del sistema multiplicador Sin embargo, este sistema puede tener grandes inconvenientes ya que la eliminación del multiplicador implica la construcción de un generador muy complicado, que no es estándar y, por lo tanto, caro. Además, como los equipos electrónicos de conversión de potencia manejan toda la potencia, encarecen el aerogenerador [3] (Anexo 2 Figura 9).. Figura 2.11 Generador sincrónico de velocidad variable. A continuación se muestra en la Figura 2.12 el comportamiento de algunas de los generadores mencionados anteriormente con respecto a la velocidad del viento donde las líneas rojas corresponden a una aeroturbina de velocidad fija; la velocidad del rotor y el ángulo pitch son constantes. Las azules son representativas de una turbina de velocidad variable con generador de. 25.

(36) inducción con doble alimentación. Las negras son representativas de una turbina de velocidad variable y conexión directa al generador. Figura 2.12. Medidas de la velocidad del viento, velocidad del rotor, ángulo de las palas y energía generada, para tres diseños de aeroturbina. 2.5. Sistemas de conexión a la red. La conexión de los parques eólicos a las redes eléctricas presenta problemas de diferente naturaleza; estos problemas se derivan de la naturaleza del elemento de conversión electromecánico de energía (la máquina asincrónica) y de la característica aleatoria de la fuente de energía primaria (el viento). La máquina asincrónica carece de capacidad de regulación de. 26.

(37) tensión y frecuencia y absorbe potencia reactiva en todo su margen de funcionamiento. Es preciso pues, que la red a la que está conectada proporcione la potencia reactiva que necesita y mantenga la tensión y frecuencia en sus bornes ante variaciones de la carga. Por otro lado, la potencia desarrollada por la turbina eólica que acciona el generador asincrónico depende de la velocidad del viento. Estos problemas pueden tener diferente impacto dependiendo de las características de la red a la que está conectado el parque: red aislada o sistema interconectado [4]. En cualquier caso, la conexión de un parque eólico a una red requiere la realización de estudios detallados tanto de régimen permanente como de régimen dinámico para valorar con precisión su impacto. Conexión indirecta de aerogeneradores a la red Con esta conexión es posible que la turbina gire dentro de una amplia gama de velocidades del viento. En el mercado se ofertan turbinas con un deslizamiento de hasta un ±35% [15]. Si el generador funciona a velocidad variable, la frecuencia variará ampliamente. La corriente alterna necesita, por lo tanto, ser transformada para emparejar su frecuencia a la de la red eléctrica pública. Este caso es semejante a lo descrito en el epígrafe 2.4.2.2. Generación de corriente alterna (CA) a frecuencia variable La mayoría de los aerogeneradores funcionan a una velocidad casi constante con conexión directa a la red. Sin embargo, con conexión indirecta a red, el generador de la aeroturbina funciona en su propia minired de corriente alterna que está controlada electrónicamente (utilizando un inversor), por lo que se puede variar la frecuencia de la corriente alterna en el estator del generador. De esta forma se puede hacer funcionar la turbina a una velocidad de giro variable y se generará corriente alterna exactamente a la frecuencia variable aplicada al estator. El generador puede ser sincrónico o asincrónico, y si tiene muchos polos la turbina puede tener una caja multiplicadora, o no [15]. Conversión a corriente continua (CC) La corriente alterna de frecuencia variable no se puede tratar en la red, por lo que previamente habrá que rectificarla, convirtiéndola en corriente continua (CC). La conversión de corriente alterna de frecuencia variable a corriente continua se puede hacer utilizando tiristores o grandes transistores de potencia [15].. 27.

(38) Conversión a corriente alterna de frecuencia fija La corriente continua (fluctuante) se convierte en corriente alterna (utilizando un inversor) de exactamente la misma frecuencia que la de la red eléctrica pública. Esta conversión de corriente alterna en el inversor también se puede hacer utilizando tiristores o transistores de potencia, que son grandes interruptores de material semiconductor que funcionan sin partes mecánicas. A primera vista, la clase de corriente alterna que se obtiene de un inversor no tiene nada que ver con la suave curva sinusoidal de la corriente alterna, sino una serie de saltos bruscos en la tensión y en la corriente. [15] 2.6. Costos de la generación de electricidad a partir del viento Durante los últimos años se ha difundido abundante información sobre los logros en cuanto a la reducción de costos en el aprovechamiento de la energía eólica. En EE.UU., la India y otros países, se han reportado costos por kW.h muy bajos, efectivamente competitivos con los costos generados con energías convencionales. Los costos por kW instalados que se reportan a nivel de conferencias y artículos técnicos están en el orden de los 600 a 800 US$/kW instalado [7]. Si bien la energía del viento no tiene costo, la transformación de ésta a energía eléctrica mediante aerogeneradores de distintas potencias sí la tiene. Es importante señalar que cuando se hace una evaluación de la energía eólica en comparación con otras fuentes, hay que considerar los costos de la energía generada (kW.h.) más que los costos en términos de potencia instalada. El costo por kW es poco relevante con referencia al costo real de la energía, ya que ésta dependerá principalmente de las características del viento de la zona. Normalmente, en las turbinas eólicas, el costo del kW instalado disminuye al aumentar la potencia de la máquina. Sin embargo, el costo por kW instalado aumenta para potencias menores de 1kW, en este tipo de molinos, los costos de instalación se ubican en el orden de los 1.000 a 1.200 US$/kW, siendo posible obtener energía eléctrica con un costo de producción del orden de 0.045-0.055 US$/kWh, costo de operación y mantenimiento aprox.= 0.01 US$/kWh [5]. Para potencias mayores a 2MW, los costos aumentan también debido al uso de tecnología muy nueva y necesidad de mano de obra muy calificada. En lo que a bajas potencias se refiere (desde 50 hasta 5000 Watt), el precio por kW instalado en el mercado internacional ronda los 1.800 US$/kW. Pero estos precios por lo general no incluyen los gastos de envío, torre para el aerogenerador, la instalación y puesta en marcha del mismo, ni el mantenimiento de toda la. 28.

(39) instalación, todos factores que encarecen aun más el uso de la energía eólica de baja potencia [18]. En estos casos, los costos por kW instalado es variado, y depende del tamaño de las unidades y otros factores, y está en el orden de los 5.000 a 10.000 US$/kW de potencia [7]. No es aventurado afirmar que la energía eólica ya es competitiva con otras fuentes de energía, en especial con los sistemas convencionales, sin embargo, hay que tener cuidado en el sentido de no generalizar estos datos para cualquier parte del mundo. Como se ha visto en los acápites anteriores, la velocidad del viento influye grandemente en la cantidad de energía generada y por ende en los costos de la misma. Mientras que en un aerogenerador de centenares de kW se habla de 600 a 800 US$/kW, en los sistemas de potencias fraccionarias se habla de costos de varios miles de dólares, de modo que el costo de la energía generada también es muy diferente cuando se habla de pequeños y grandes sistemas eólicos [7]. Adicionalmente, en Latinoamérica aún no existe la tecnología de fabricación de los grandes sistemas para aerogeneración, y en lo que se refiere a pequeños sistemas, exceptuando a Brasil, los costos de fabricación sumados a los costos de importación definitivamente los hacen costosos [7]. En el mercado europeo el costo se estima en 1 000 euros por kW instalado, lo cual no tiene en cuenta la operación y el mantenimiento (se considera que con el tiempo irá disminuyendo). En este mercado, el costo de la unidad de energía producida en instalaciones eólicas se deduce de un cálculo bastante complejo. Para su evaluación tienen en cuenta diversos factores como: •. El costo inicial o inversión inicial. El costo del aerogenerador incide en aproximadamente el 60 a 70%. El costo varia desde 1250 €/kW para máquinas con unos 147 kW de potencia, hasta 880 €/kW para máquinas de 600 kW;. •. Debe considerarse la vida útil de la instalación (aproximadamente 20 años) y la amortización de este costo;. •. Los costos financieros;. •. Los costos de operación y mantenimiento (variables entre el 1 y el 3% de la inversión);. •. La energía global producida en un período de un año. Esta es función de las características del aerogenerador y de las características del viento en el lugar donde se ha instalado [18].. Además del indiscutible desarrollo de los aerogeneradores de alta potencia, ha habido innumerables emplazamientos de pequeños molinos para satisfacer las necesidades puntuales de. 29.

(40) pobladores, escuelas, salas de primeros auxilios y demás establecimientos que se encuentran aislados de los centros de consumo y que no tienen acceso al suministro eléctrico mediante redes por motivos económicos o por la complejidad del acceso.. 30.

(41) Capítulo III: La energía eólica en Cuba En los últimos años, el consumo energético en Cuba ha crecido establemente en la misma manera que la economía nacional ha recobrado su salud. La generación de electricidad se basa aún en el uso intensivo de los combustibles fósiles, pero la estructura de tal generación ha cambiado. Más del 50 % de toda la potencia se obtiene del llamado crudo nacional, un combustible barato que ha permitido a nuestra economía reducir la importación del petróleo, aunque pagando una cuota de daños al medio ambiente. La política energética cubana referida a la electricidad está dirigida a asegurar el suficiente suministro de energía acorde con el desarrollo energético esperado. El pronóstico es alcanzar en los próximos años una elevada generación de la electricidad usando el petróleo nacional, pero también mejorando las tecnologías que reduzcan los impactos medioambientales asociados a su uso. Uno de los pilares de la Revolución Energética en Cuba, es precisamente el aprovechamiento de las fuentes renovables, entre las que se ha priorizado el desarrollo y la aplicación de la potencia eólica. Una revisión de las coyunturas del uso de la potencia eólica en nuestro país, muestra que las principales oportunidades están en los sitios donde no hay red eléctrica o esta es muy débil, fenómeno común en áreas rurales de los países en desarrollo. Existen limitaciones prácticas a los intentos de desarrollar el mercado de parques eólicos conectados a la red eléctrica, entre las que se destacan: • El costo de generación debe estar por debajo del costo evitado de la energía. • El bajo costo de la electricidad convencional para el sector industrial. • Gran disponibilidad de combustibles fósiles. • No hay un programa nacional para el desarrollo de la energía eólica. De acuerdo con el estudio Evaluación del Potencial Eólico Cubano realizado recientemente y el Atlas Eólico Cubano preliminar, la costa norte desde Villa Clara hasta Guantánamo es una región de altas velocidades del viento donde por lo menos ocho zonas han sido identificadas con velocidades medias anuales superiores a 5,7 m/s a 10 m de altura. No obstante, el régimen de viento no es homogéneo y es fuertemente influenciado por condiciones locales, debido a la positiva interrelación entre los vientos alisios, las brisas locales y los eventos meteorológicos estacionales, tales como los frentes fríos provenientes de norteamérica y otros que refuerzan el régimen de viento en la costa norte, fundamentalmente en la parte este.. 31.

(42) 3.1. Pronóstico eólico en Cuba. El desarrollo de la Revolución Energética ha traído consigo un avance en la energía eólica, nuestro país tiene como objetivo instalar 300 MW en parques eólicos hasta el 2010, obteniendo así una demanda máxima de 3300 MW y una penetración de un 9.4%. En la Tabla 5 se representa un pronóstico para finales del 2007 hasta el 2010 en cuanto a potencia eólica a instalar y en la Figura 3.1 se observa la propuesta para futuros parques eólicos en el 2008 alcanzándose en este año una potencia de 50 MW (datos de la OBE). Tabla 5. Finales del 2007 2008 2009 2010 Total OCCIDENTE – 20 MW. 11.6 MW (Estimado) 50 MW 100 MW 150 MW 300 MW GIBARA –BANES 30 MW. 30 MW. Figura 3.1. Localización de los futuros parques eólicos.. De acuerdo con los pronósticos realizados, Cuba podría contar con entre 5000 y 14000 MW de capacidad de generación a partir de la energía eólica, además de asimilar con rapidez este tipo de tecnología. En distintos lugares de nuestro país se han construido parques eólicos como es el caso de la localidad de Gibara en Holguín que cuenta actualmente con seis máquinas de una potencia de 850 kW cada una para alcanzar una potencia total de 5.1 MW. También en. 32.