Mecanismos Aprovechamiento Eolico Maquinas

8/3/2019 Mecanismos Aprovechamiento Eolico Maquinas

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4. Mecanismos para el aprovechamiento elico: Las mquinas elicas.

4.1. Definicin.

Las maquinas elicas son mecanismos desarrollados para el aprovechamiento delrecurso elico o del viento con la finalidad de transformar su energa (energa elica) enenerga mecnica o en energa elctrica.

4.1.1. Principios de funcionamiento.

Los molinos de viento, aeromotores, mquinas elicas (trminos que pueden serconsiderados sinnimos), o los aerogeneradores, o turbinas elicas en su acepcin, sondispositivos que convierten la energa cintica del viento en energa mecnica.

Aunque existen dos tipos bsicos de molinos, eje horizontal y eje vertical, el principio deoperacin es esencialmente el mismo as como su clasificacin diversa. La captacin dela energa elica se realiza mediante la accin del viento sobre las palas, las cuales estnunidas al eje a travs de un elemento denominado cubo (conjunto que recibe el nombrede rotor). El principio aerodinmico, por el cual este conjunto gira, es similar al que haceque los aviones vuelen.

Ilustracin 5.25: Fuerzas de sustentacin y arrastre.

Segn este principio, el aire que es obligado a fluir por las caras superior e inferior deuna placa o perfil inclinado (ver ilustracin 5.25) genera una diferencia de presionesentre ambas caras, dando origen a una fuerza resultante (R) que acta sobre el perfil.Descomponiendo esta fuerza en dos direcciones se obtiene:

a) La fuerza de sustentacin (s), o simplemente sustentacin, de direccinperpendicular al viento.

b) La fuerza de arrastre (a), de direccin paralela al viento.Para favorecer la circulacin del aire sobre la superficie de las palas, evitar la formacinde torbellinos y maximizar la diferencia de presiones, se eligen perfiles de pala conformas convenientes desde el punto de vista aerodinmico. Segn como estn montadaslas palas con respecto al viento y al eje de rotacin, la fuerza que producir el par motorser dominantemente la fuerza de arrastre o la de sustentacin. Con excepcin de las

panmonas y los rotores tipo Savonius, en todas las mquinas modernas la fuerzadominante es la de sustentacin pues permite obtener, con menor peso y costo, mayores potencias por unidad de rea del rotor. Analizaremos nicamente el comportamiento


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aerodinmico de las turbinas elicas cuyo par motor est originado por las fuerzas desustentacin.

Como la fuerza de sustentacin es la nica que dar origen al par o cupla motora habrque disear el perfil y ubicar las palas dndole un ngulo de ataque ( ) que hagamxima la relacin fuerza de sustentacin/fuerza de arrastre.

Este anlisis simple es solo vlido cuando las palas de un molino estn en reposo. Al permitir el giro del rotor, la fuerza resultante sobre las palas ser el resultado de lacombinacin de la accin directa del viento real (U en la ilustracin 5.22) y la accin del"viento" (V en la ilustracin 5.26) creado por las propias palas al girar. Dicho con otraspalabras, el viento que "ven" las palas no es ms el viento real (U) sino el llamado vientoaparente (Vr), resultante de la composicin de los vectores V y U.

Como cada seccin de una pala tiene velocidad diferente del viento aparente tambinvara en el sentido longitudinal; por lo tanto, una pala ideal deber presentar un ngulode incidencia diferente a lo largo de toda su longitud, efecto que se logra dndole unalabeo. Asimismo, y tambin porque las velocidades son ms altas al acercarnos a lapunta de pala, el perfil podr tener menores dimensiones para dimensiones para obtenerla misma fuerza resultante. Estas consideraciones son particularmente importantes enmquinas de gran tamao. En molinos pequeos, por razones de simplicidad y fundamentalmente costos, se acostumbra optar por palas de seccin constante y sinalabeo.

Ilustracin 5.26: Efectos del viento sobre un elemento de pala.

Ilustracin 5.27: Viento aparente.


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Si el viento no supera la denominada velocidad de puesta en marcha (valor mnimonecesario para vencer los rozamientos y comenzar a producir trabajo til) no es posibleel arranque de un molino. Con velocidades mayores comenzar a girar entregando unapotencia que responde a la conocida ley del cubo de la velocidad. Esto ser as hasta quese alcance la potencia nominal, generalmente la mxima que puede entregar, punto enque comienzan a actuar mecanismos activos o pasivo de regulacin para evitar que lamquina trabaje bajo condiciones para las cuales no fue diseada. Continuar operandoa velocidades mayores, aunque la potencia entregada no ser muy diferente a lanominal, hasta que se alcance la velocidad de corte donde, por razones de seguridad, sedetiene.

Estos parmetros vienen especificados en lo que se denomina las curvas de potenciade la mquina que es un grfico que muestra el desempeo de la mquina a distintasvelocidades de operacin.

En el ejemplo anterior y en el siguiente grfico se presenta una curva tpica de potencia,as como los puntos de importancia que deben de tenerse en cuenta durante su estudio.

Grfico 5.26: Rendimiento tpico de un aerogenerador pequeo (400 W).

Donde:

aV = Velocidad de arranque.

nV = Velocidad nominal.

cV = Velocidad de corte.

En cuanto a las mquinas elicas multipala, estas extraen la energa del viento a travsde un rotor y convierte su movimiento rotacional en accin mecnica con algnmecanismo que permite mover una bomba y as producir la accin de bombeo. Es poresto que existen diversas alternativas de disposicin de elementos mecnicos parabombear agua con la energa de los vientos, como se vera ms adelante.

4.1.2. Clasificacin de las mquinas elicas.

Las mquinas elicas han sido estudiadas por el hombre en forma intensiva y dentro deellas existen en la actualidad diferentes tipos que van desde pequeas potencias, a las

grandes mquinas americanas y alemanas de varios MW.


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Son numerosos los dispositivos que permiten el aprovechamiento de la energa elica, pudindose hacer una clasificacin de los mismos segn la posicin de su eje de giro,respecto a la direccin del viento. En las mquinas elicas de eje horizontal, para obtener en las palas una velocidadangular regular y uniforme ( ) para una determinada velocidad del viento V se

requiere que tanto la direccin del viento, como su velocidad, se mantengan constantescon respecto a las palas.

Por el contrario, en las mquinas elicas de eje vertical, manteniendo las mismascondiciones regulares en la velocidad del viento y en la velocidad angular de las palas,resulta que stas pueden estar sometidas a un viento aparente de direccin y velocidadcontinuamente variables, por lo que en estas mquinas, el flujo aerodinmico resulta sermuy complicado, ignorndose en muchas ocasiones las verdaderas posibilidades de lasmismas.Las mquinas elicas se pueden clasificar en:

A. Por su potencia nominal.

Baja Potencia < 3 KW (equivalente elctrico). Media Potencia < 30 kW (equivalente elctrico). Alta potencia >100 kW (equivalente elctrico).

B. Por la orientacin del rotor.

Eje vertical. Eje horizontal.

C. Por el mecanismo de regulacin de potencia.

De paso variable. Vasculacin del rotor. Prdida aerodinmica de la pala.

D. Por el tipo de generador elctrico.

Generador de corriente continua. Generador de corriente alterna (sncrono y asncrono).

E. Por el nmero y tipologa de palas.

Bipalas. Tripalas. Multipalas.

La clasificacin ms comn y difundida de las mquinas elicas son la de eje horizontaly las de eje vertical.

Los molinos de eje horizontal son los ms difundidos y los que han permitido obtener lasmayores eficiencias de conversin; los diseos ms utilizados de este tipo de mquinaselicas estn representados en la siguiente ilustracin:


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Ilustracin 5.28: Mquinas elicas de eje horizontal.

En su gran mayora, la conversin de la energa disponible en el eje del rotor en otraforma de energa, se realiza mediante dispositivos ubicados sobre la torre. Tal es el casode las turbinas elicas destinadas a la produccin de electricidad donde el generadorelctrico, acoplado al eje del rotor a travs de un multiplicador, est localizado en lanavecilla o gndola.

Las denominas mquinas rpidas, con palas de perfil aerodinmico y casiexclusivamente empleadas para generacin de electricidad, tiene rotores de 1 a 3 palasque, segn los diseos, estn ubicados a popa (sotavento) o a proa (barlovento) de lanavecilla. Los rotores con palas a popa en principio no requieren de sistemas deorientacin pues las fuerzas en juego tienden a orientarlo naturalmente, aunque enmquinas de gran tamao se prefiere emplearlos para evitar los "cabeceos" quesometeran las palas a vibraciones perjudiciales. En el caso de palas a proa los sistemasde orientacin son imprescindibles; en molinos pequeos se emplean las clsicas colas deorientacin pero en los grandes se prefieren los servomecanismos.

Existen diferentes modos de prevenir aumentos descontrolados de la velocidad derotacin del rotor en presencia de vientos fuertes, o de regularla ante condicionesvariables de la carga. Ellos van desde el cambio de paso, o "calaje" de las palas, lautilizacin de "flaps" que se abren y aumentan la resistencia al viento, hasta dispositivos


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que desplazan el rotor de su orientacin ideal logrando que aumenten las prdidasaerodinmicas. Prcticamente todas las mquinas disponen de dispositivos de frenadopara poder detenerlas bajo condiciones extremas de viento o efectuar reparaciones.

En las mquinas relativamente pequeas a veces se evitan estosmecanismos pues resulta ms barato disearlas para soportar los mximosvientos esperables que adicionar sistemas de frenado.

Los rotores multipala, tipo americano, tienen por uso casi excluyente el bombeo de agua. Su alto par de arranque y su relativo bajo costo los hace muy aptos para accionarbombas de pistn. Se estima que en el mundo existen ms de 1 000 000 de molinos deeste tipo en operacin.

Las aeroturbinas de eje horizontal se suelen clasificar segn su velocidad de giro o segnel nmero de palas que lleva el rotor, aspectos que estn ntimamente relacionados, enrpidas y lentas; las primeras tienen un nmero de palas no superior a 4 y las segundaspueden tener hasta 24.Los principales tipos de mquinas elicas de eje horizontal, son:

Mquinas que generan un movimiento alternativo, que se utilizan para elbombeo de agua.

Mquinas multipalas. Hlices con palas pivotantes (ngulo de ataque variable). Hlices con palas alabeadas, muy sofisticadas, que incluyen clapetas batientes y

alerones de ngulo variable.

Esencialmente, una mquina multipala como la que se muestra a continuacin consistede: rotor, torre, un sistema de transmisin de movimiento, la bomba misma, un sistemade tuberas para el movimiento de agua y cuando se requiera un tanque de

almacenamiento.

Dependiendo de la aplicacin y de la disponibilidad tecnolgica, diferentes tipos desistemas de aerobombeo se han desarrollado. La eleccin del tipo de bombas es bastanteamplia y se han realizado diseos con bombas de pistn, bombas centrfugas, de tornillo,de ascenso de aire, de mecate, etc.; indudablemente que cualquier combinacin dependede la fuente de agua disponible.

El tamao de las aerobombas de accin mecnica directa puede estar entre 1 hasta 8metros del dimetro del rotor, y dependiendo de la altura de bombeo (cabeza hidrulica)y de las velocidades promedios del viento, la potencia hidrulica promedio puede estarentre unos cuantos vatios hasta cerca de 1 kW.

Para demandas hidrulicas mayores se pueden utilizar sistemas elicos-elctricos debombeo, los cuales permiten generar electricidad y a travs de una transmisin elctricase maneja un motor elctrico con su respectiva bomba. En el mercado internacional seencuentran disponibles estos sistemas para aplicaciones tpicas con demandas hasta de10 kW. Sin embargo, sistemas de mayor potencia pueden ser tambin utilizados.


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Ilustracin 5.29: Mquina multipala (multipala americano).

Los aerogeneradores de eje horizontal tipo hlice como de la siguiente figura, constan de

una aeroturbina, de una gndola o navecilla que contiene al generador elctrico, dinamoo alternador, al sistema de acoplamiento que puede ser a su vez multiplicador delnmero de revoluciones proporcionadas por la hlice y al sistema de control yorientacin; todo esto va montado sobre una torre similar a las de las lneas elctricas,en la que hay que vigilar con sumo cuidado sus modos de vibracin.

La hlice puede presentar dos tipos de posiciones frente al viento, como son:

a) Barlovento (upwind), en la que el viento viene de frente hacia las palas, teniendo elsistema de orientacin detrs, aguas abajo.

b) Sotavento (downwind), en la que el viento incide sobre las palas de forma que stepasa primero por el mecanismo de orientacin y despus acta sobre la hlice.

Ilustracin 5.30: Aerogenerador de hlice.

Las aeroturbinas lentas (mquinas multipala) tienen un TSR pequeo y gran nmero depalas; sus aplicaciones van destinadas generalmente al bombeo de agua.


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Las aeroturbinas rpidas tienen un TSR alto y el nmero de palas tiende a ser menor.Suelen ser tripalas TSR = 4 y en algunos casos bipalas TSR = 8, habindose diseado yconstruido, incluso, aeroturbinas con una sola pala.

Ampliando lo expuesto en la seccin 4.1.1, el proceso de funcionamiento de estasmquinas es diferente, por lo que respecta al tipo de la accin debida al viento que lashace funcionar; en las mquinas lentas (mquinas multipala) la fuerza de arrastre esmucho ms importante que la de sustentacin, mientras que en las mquinas rpidas(aerogeneradores) la componente de sustentacin es mucho mayor que la de arrastre.

El nmero de palas tambin influye en el par de arranque de la mquina, de forma queuna mquina con un rotor con gran nmero de palas como una multipala requiere unpar de arranque mucho mayor.

La caracterstica principal de los molinos de eje vertical es que no requieren de sistemasde orientacin. Ventaja nada despreciable pues evita complejos mecanismos dedireccionamiento y elimina los esfuerzos a que se ven sometidas las palas ante loscambios de orientacin del rotor. Por su disposicin permite colocar los sistemas deconversin prcticamente a nivel de suelo, evitando pesadas cargas en las torres, comoocurre en los de eje horizontal.

Existen dos diseos bsicos de rotores de eje vertical: Savonius y Darrieus.

El rotor Savonius (ver ilustracin 5.32) trabaja esencialmente por arrastre, tiene un alto par de arranque pero su eficiencia es pobre. Por su sencillez y bajo costo es fcil deconstruir con tcnicas artesanales. Se los emplea en aplicaciones que requieren potenciaspequeas como es el caso de los extractores de aire en grandes edificios industriales odepsitos y en bombeo de agua.

Los rotores Darrieus (ver ilustracin 5.33), inventados por G.J.M.Darrieus en Francia enla dcada del 20, son actualmente los principales competidores de los de eje horizontal depalas aerodinmicas para la generacin de electricidad. Las fuerzas dominantes son lasde sustentacin, tienen un par de arranque prcticamente nulo, pero entregan potenciasaltas por unidad de peso del rotor y por unidad de costo. El diseo original de palascurvadas a dado origen a otras configuraciones, tratando de mejorar algunascaractersticas constructivas u operacionales. Tal es el caso de la combinacin conrotores Savonius para aumentar el par de arranque.

Se han concebido y ensayado otros tipos de mquinas elicas de eje vertical. Tal es elcaso de las torres vorticosas en las que se induce una circulacin de aire, por el interiorde una torre hueca, que succiona aire exterior hacindolo pasar a travs de una turbina

ubicada en la base.Un esquema similar siguen las torres en donde el flujo de aire es inducido porcalentamiento con energa solar. Estas variantes no han pasado del nivel de prototipo.


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Ilustracin 5.31: Mquinas elicas de eje vertical.

Entre las mquinas elicas de eje vertical se pueden citar:

El aerogenerador Savonius, puede arrancar con poco viento, siendo muy sencilla sufabricacin; tiene una velocidad de giro pequea y su rendimiento es relativamente bajo.

Ilustracin 5.32: Rotor Savonius.


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El aerogenerador Darrieux o de catenaria, requiere para un correcto funcionamiento, vientos de 4 a 5 metros por segundo como mnimo, manteniendograndes velocidades de giro y un buen rendimiento; se construyen con 2 3 hojas.

Ilustracin 5.33: Aerogenerador Darrieux.

El molino vertical de palas tipo giromill o ciclogiro, deriva del Darrieux; tieneentre 2 y 6 palas.

El modelo Darrieux arranca mal, mientras que el Savonius se puede poner enfuncionamiento con una pequea brisa; debido a ello se puede hacer una combinacinsobre un mismo eje de ambas mquinas de forma que un rotor Savonius acte durante elarranque y un rotor Darrieux sea el que genere la energa para mayores velocidades del

viento.

Las ventajas de los aerogeneradores de eje vertical frente a los de eje horizontal, son:

No necesitan sistemas de orientacin. Los elementos que requieren un cierto mantenimiento pueden ir situados a nivel

del suelo. No requieren mecanismos de cambio de revoluciones, por cuanto no suelen

emplearse en aplicaciones que precisen una velocidad angular constante. Las ventajas de los aerogeneradores de eje horizontal respecto de los de eje

vertical son: Mayor rendimiento. Mayor velocidad de giro (multiplicadores ms sencillos). Menor superficie de pala S a igualdad de rea barrida A. Se pueden instalar a mayor altura, donde la velocidad del viento es ms intensa

En la siguiente tabla se resumen las caractersticas salientes de los rotores elicos msutilizados.


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Tabla 5.11: Caractersticas de los rotores elicos.

(*) Mquinas lentas son aquellas en las cuales la relacin entre la velocidad dela punta de pala y la velocidad del viento (TSR) es menor a 2, mientras que enlas mquinas rpidas esta relacin es superior a 4.

4.1.3. Aplicaciones de las mquinas elicas.

La energa captada por el rotor de una mquina elica se transforma inicialmente enenerga mecnica disponible en un movimiento rotativo. Este movimiento puedeutilizarse para impulsar dispositivos que la transformen en otras formas de energa:mecnica, elctrica, trmica o potencial. Las aplicaciones ms efectivas sern aquellasen las que se llega al uso final de la energa con el menor nmero de transformaciones.

Tabla 5.12: Aplicaciones ms usuales de los molinos de viento.


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En trminos generales, las aplicaciones de las mquinas elicas pueden subdividirse endos grandes grupos segn el tipo de energa a obtener: energa mecnica o energaelctrica (Ver tabla 5.12). Este ltimo admite, segn el servicio a prestar, tresclasificaciones bien diferenciadas:

Instalaciones aisladas o remotas. Sistemas hbridos diesel-elicos. Sistemas interconectados a las redes de distribucin de energa elctrica.

Cada una de estas aplicaciones tiene caractersticas particulares que condicionan tantoel tipo de mquina a utilizar como sus sistemas auxiliares.

4.1.3.1. Generacin de electricidad.

Para obtener electricidad a partir del viento es necesario accionar mquinas que, porarrancar prcticamente en vaco no exigen al rotor elico un gran par de arranque.

Si a esto agregamos las mayores eficiencias de los rotores rpidos, es fcil comprenderporqu son los que se emplean casi con exclusividad para generacin de electricidad.

Los generadores elctricos pueden ser de corriente continua (dnamos) o de corrientealterna, existiendo en este ltimo caso dos tipos: generadores sincrnicos o alternadoresy generadores asincrnicos o de induccin. Las dnamos tienen el inconveniente deutilizar escobillas, que exigen mantenimiento peridico, y son ms pesadas y caras quelos generadores de corriente alterna (C.A.) de igual potencia; aunque tienen la ventajade no necesitar de sistemas especiales para cargar bateras, su uso se ha idoabandonando reemplazndolos por los generadores de C.A., con la excepcin de algunosequipos para proveer muy bajas potencias, de construccin artesanal.

El tipo de generador de C.A. que se utilice depende fundamentalmente de lascaractersticas del servicio a prestar. Como regla general puede decirse que losalternadores son mayoritariamente usados en mquinas que alimentan instalacionesautnomas y los generadores de induccin en turbinas elicas interconectados con otrossistemas de generacin.

Esto es as pues los generadores de induccin tienen la enorme ventaja de que, una vezen marcha y conectados a las lneas de distribucin, giran a una velocidad constanteimpuesta por la frecuencia de la red, entregando ms o menos energa segn laintensidad del viento, pero siempre rotando al mismo nmero de revoluciones. En otras palabras, los aerogeneradores no requieren de costosos sistemas de regulacin develocidad, ventaja a la que se adiciona la apreciable diferencia de costos entre un

generador asincrnico y un alternador de la misma potencia. Es importante destacarque los generadores asincrnicos necesitan tomar energa de la red para mantener lacorriente de magnetizacin; de interrumpirse esta conexin la mquina debe ser frenadapara evitar su aceleracin.

Los generadores sincrnicos, aunque tienen un mayor rendimiento potencial, debenoperar a velocidad constante si se quiere mantener fija la frecuencia. El mantenimientodel nmero de revoluciones, acorde con la frecuencia de lnea, es funcin exclusiva delmotor que los impulsa (en nuestro caso el rotor elico), siendo necesario elaboradossistemas de control. Distinto es el caso de las aplicaciones en que la nica fuente deabastecimiento es el aerogenerador. En ellos el uso de generadores sincrnicos es casiobligado, pero no tan crtico el mantenimiento de la frecuencia de la C.A. generada,

pues, por lo general, los equipos a alimentar toleran variaciones en la frecuencia.


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Es un hecho tambin que la variabilidad del recurso exige, en muchas instalacionesaisladas, acumular energa en bateras y desde ellas alimentar la demanda. En estoscasos la frecuencia no tiene ninguna importancia pues habr rectificadores quetransformaran la C.A. en corriente continua (C.C.). Es obvio entonces que la utilizacinde alternadores responde en estos casos a la bsqueda de menores costos y mejoresrendimientos y no a una caracterstica del servicio.

El acoplamiento entre rotor elico y generador se realiza a travs de una cajamultiplicadora. Su empleo es necesario pues a medida que crece el dimetro debenlimitarse las r.p.m. del rotor para evitar que las puntas de las palas trabajen avelocidades que comprometan la resistencia de los materiales empleados o induzcanvibraciones perjudiciales. Por otra parte, los generadores comerciales requieren girar avelocidades que estn entre las 1000 y las 3000 r.p.m., dependiendo de suscaractersticas constructivas y la frecuencia a obtener.

4.1.3.1.1. Instalaciones remotas o aisladas.

Configuracin y caractersticas de los generadores elicos aislados.

La configuracin tpica de un sistema autnomo est representada en la ilustracin 5.34.Las potencias van de 0,15 hasta 10 kW. Se emplean rotores de eje horizontal habiendomquinas de paso variable y de paso fijo. Se prefieren estas ltimas pues presentanmenos problemas de mantenimiento aunque en este caso sern necesarios dispositivosque la protejan ante vientos muy fuertes.

Las soluciones adoptadas van desde sistemas excntricos que desalinean alaerogenerador de su posicin enfrentada al viento a sistemas de frenado que evitan quela palas giren en condiciones adversas. En la gran mayora de los casos se emplean

generadores sincrnicos de imn permanente y la acumulacin se realiza en bateras deplomo-cido. Para alimentar equipos que requieran C.A. desde las bateras es necesarioutilizar convertidores de C.C. a C.A., llamados inversores.

Se han implementado sistemas autnomos para los ms variados usos: alimentacin derepetidoras de TV y telefona, faros, instalaciones domiciliarias, etc. En todos ellos pudodemostrarse la factibilidad tcnica.

Estudios comparativos realizados en varios pases indican que los aerogeneradores soneconmicamente competitivos con otros sistemas de abastecimiento elctrico aisladocuando se trata de potencias no muy superiores a los 5 kW y el recurso elico esabundante.

Otros estudios indicaron que en el caso de electrificacin rural puede competir, bajociertas condiciones, con la conexin a las redes. Se estim que para demandasdomiciliarias de aproximadamente 400 kWh/mes y velocidades de viento superiores a 4m/s la generacin elica poda competir con el tendido de lneas ms all de los 5 km.

Tomando en cuenta que en el mundo aproximadamente 1.500 millones de personas notiene acceso a los servicios elctricos centralizados y que existe un sinnmero derequerimientos de baja potencia, el mercado potencial para la generacin elicaautnoma es sumamente amplio y promisorio.


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Ilustracin 5.34: Esquema tpico de un sistema elico para uso residencial.

Una aplicacin alternativa de este tipo de sistemas es el bombeo de agua, utilizando unabomba elctrica de desplazamiento positivo. La instalacin consistir en elaerogenerador, su equipo de regulacin y monitorizacin y una bomba dedesplazamiento positivo especialmente adaptada para funcionar directamenteconectada al equipo de regulacin del aerogenerador.

La siguiente ilustracin muestra un sistema de este tipo:

Ilustracin 5.35. Sistema elico aislado para el bombeo de agua.


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4.1.3.1.2. Sistemas hbridos o mixtos.

Pequeas turbinas elicas brindan una solucin atractiva para la electrificacin rural enmuchos lugares, por su operacin econmica y simple. Sin embargo, la fluctuacin delviento no permite obtener una produccin de electricidad constante. Por esta razn,frecuentemente, se usa una turbina elica en combinacin con otra fuente de generacin;por ejemplo, paneles fotovoltaicos o un generador elctrico a base de diesel. Este tipo desistema se llama un sistema hbrido. La mayor ventaja de un sistema hbrido es queprovee mayor confiabilidad para la generacin elctrica comparado con uno individual.

Ilustracin 5.36: Sistema hbrido elico diesel.

En ciertas regiones del mundo, particularmente islas y pases en desarrollo, se dancondiciones demogrficas, geogrficas o econmicas que limitan la posibilidad debrindar abastecimiento elctrico desde las redes interconectadas nacionales. Esto hadado origen a la instalacin de una gran cantidad de pequeas redes aisladas,alimentadas, por lo general, con generadores diesel.

Debido al pequeo tamao de las instalaciones o a su ubicacin aislada, los costos degeneracin son apreciablemente ms altos que los de los sistemas interconectados.Costos operativos en el rango de 1,5 a 4 centavos de $US/kWh son usuales en lageneracin en gran escala, mientras que valores entre 5 y 20 centavos de $US/kWh, yan mayores, son tpicos en instalaciones aisladas.

Si se toma en cuenta que en lugares con buen viento se puede generar energa elctricaen el rango de 5 -15 centavos de $US/kWh, la operacin en paralelo de aerogeneradores

y equipos diesel surge como una alternativa interesante. Hasta ahora, prcticamente todas las instalaciones Diesel-Elicas fueron hechas confines de demostracin y estn en un nivel de desarrollo que podramos catalogar comoprototipo. Si bien existe suficiente informacin sobre cada uno de los componentes, losdatos operativos acumulados de instalaciones completas no son muy abundantes nicubren perodos prolongados de funcionamiento.

Los resultados son muy alentadores aunque todava insuficientes para permitir el paso auna escala comercial comparable a la dada en los sistemas aislados o en losinterconectados a las redes.

Una estrategia que se ha comenzado a emplear en los sistemas diesel-elicosrelativamente pequeos (5 - 15 kW) es la de incorporar acumulacin en bateras y sloemplear el generador diesel para recargar bateras y hacindolo operar en el punto de


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mxima eficiencia. En estos casos el costo de la acumulacin es compensado por elmenor costo operativo del motor diesel.

La combinacin de energa elica con paneles fotovoltaicos es muy apropiada parazonas aisladas porque no requiere del transporte de combustibles fsiles y, en muchoslugares, la disponibilidad del viento complementa la del Sol, as tambin se puederealizar combinaciones con sistemas hidroenergticos o a biogs.

Ilustracin 5.37: Sistema hbrido elico solar fotovoltaico en red aislada.

Los sistemas hbridos son especialmente buenos para la electrificacin de comunidades y para usos productivos como el procesamiento de productos agrcolas, porque estasaplicaciones, generalmente, requieren un servicio elctrico ms confiable y estable.

Otra forma de utilizar los sistemas hbridos es conectados a red es a travs de un arreglomixto entre conexin a red y un sistema hbrido tal como se muestra en la siguiente

ilustracin:

Ilustracin 5.38: Esquema de un sistema hbrido conectado a red.


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Otra forma interesante de utilizar un sistema hbrido es el caso de un sistema elico hidroelctrico. Como se muestra en la siguiente ilustracin, se trata del caso de unaerogenerador que genera energa elctrica para que sea utilizada por la bombacentrfuga, la cual lleva la cantidad necesaria de agua al reservorio de la centralhidroelctrica, para que seguidamente sea transformada en energa elctrica medianteel grupo turbina generador. Esta es una forma ingeniosa de resolver el problema de unbajo caudal de agua o de una baja velocidad del viento para instalar solamente unsistema elico o solo un sistema hidroelctrico.

Ilustracin 5.39: Esquema de un sistema elico para abastecimientode agua a una central hidroelctrica.

4.1.3.1.3. Aerogeneradores acoplados a las redes elctricas.

Al margen de algunas experiencias aisladas como la del aerogenerador de 100 kWnominales instalado en Balaclava, URSS, que oper entre 1931 y 1942 o el aerogeneradorde 1,25 MW instalado en Grandpa's Knob, Vermont, USA en 1940, es a partir decomienzos de la dcada del 80 que la utilizacin del recurso elico para generacin deenerga elctrica experiment un salto cualitativo y cuantitativo espectacular.

Ilustracin 5.40: Esquema de instalacin elica de baja potencia con conexin a red

Esta es la aplicacin actual ms significativa de los aerogeneradores desde el punto devista del total de energa generada. Pases como Estados Unidos de Amrica y

Dinamarca, por mencionar los casos ms destacables, han incentivado la generacinelctrica de origen renovable favoreciendo la implantacin de los llamados parques o plantas elicas. Pases como EEUU de Norteamrica, Dinamarca y Alemania, entre


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otros, han promovido la instalacin de grandes mquinas conectadas a las redeselctricas, estimndose en la actualidad unos 25000 aerogeneradores conectados a lasredes.

Ilustracin: 5.41: Parque elico offshore de Middelgrundenen Dinamarca.

Si bien las crisis petroleras de la dcada del 70 influyeron, en gran medida, en eldesarrollo de nuevas tecnologas energticas, su real penetracin en el mercado de lageneracin elctrica no hubiera sido posible sin la creacin de un marco legal, econmicoy poltico favorable para las inversiones del sector privado, como lo es la ley PURPA enlos Estados Unidos de Amrica. Es muy importante destacar este aspecto pues haymuchas regiones en el mundo donde existen condiciones climticas iguales, o mejores, alas de Dinamarca o EE.UU. pero, sin un marco adecuado, estas inversiones son

impensables.

Los aerogeneradores de tres palas son quienes dominan el mercado actual de tecnologa(solo 3% son Darrieus o bipala). Con potencias que van desde los 50 a algo ms de 1 MW,se producen en escala totalmente comercial. La gran mayora utilizan generadoresasincrnicos. El tamao de las mquinas ha ido creciendo con el desarrollo tecnolgico;a comienzos de la dcada del 80 eran usuales potencias entre 30 y 100 kW, actualmentela mayora de las mquinas que se estn instalando tienen potencias entre 400 kW y 1MW. Hasta el ao 2000 la mayor mquina de eje horizontal construida tena 3,2 MWnominales (100 metros de dimetro) y est en operacin en Hawai desde 1987,actualmente la mayor mquina


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Tabla 5.13: Costos de generacin de diferentes centrales elctricas.

El costo de la energa generada es comparable a muchos sistemas de generacin

convencional. Los valores de la tabla 5.13 son el resultado de un estudio realizado por laComisin de Energa del Estado de California en 1988. Los costos de instalacin sontambin comparables y estn en el orden de 1000 - 1200 $US/kW. Los factores deutilizacin oscilan entre 15 y 30%, dependiendo del lugar de instalacin y del tipo demquinas. Con el mejoramiento del diseo de los rotores y, sobre todo, con el desarrollode metodologas para localizar parques elicos y aerogeneradores, los factores deutilizacin en las nuevas instalaciones tienden a ubicarse en el orden del 30%, valor quese aproxima al de muchas centrales hidrulicas.

El estado de California, EE.UU., fue una regin piloto para el desarrollo de los parqueselicos. Actualmente en las regiones de Altamont Pass, Tehachapi y San Gorgoniofuncionan unos 14.500 molinos entregando ms de 2.300 millones de kWh en las redeselctricas, equivalente a la demanda residencial de una ciudad como San Francisco yeconomizando unos 430.000 m3 de petrleo por ao. El ms importante de los parques,Altamont Pass, tiene aproximadamente 7300 aerogeneradores entre 40 y 750 kW y fuedesarrollado por una veintena de empresas utilizando mquinas de distintos orgenespero en su gran mayora norteamericanas y dinamarquesas.

4.1.3.1.4. Obtencin de energa mecnica.

Estas aplicaciones, tpicamente autnomas, fueron histricamente las primeras y se lasdestin a mover todo tipo de mquinas. La invencin de los motores de combustin y delgenerador elctrico (y el desarrollo de los sistemas de distribucin) originaron supaulatino reemplazo por motores ms controlables y estables en el tiempo.

En el caso de los molinos de viento destinados al bombeo de agua ocurri un procesosimilar al implementarse la electrificacin rural, sobre todo en los pases msdesarrollados. Del total de 6 000 000 de molinos producidos en los EE.UU. hastacomienzos del siglo XX solo 150 000 quedan en operacin en nuestros das.

En regiones menos desarrolladas, el bombeo de agua con mquinas elicas continusiendo en muchos casos la nica alternativa econmicamente viable. En islas de Grecia,donde an se utilizan los molinos con palas de tela, y en la llamada pampa hmeda de Argentina y en las grandes llanuras australianas, donde se impusieron los molinosmultipala tipo americano, las mquinas elicas pueden contarse de a miles.


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Ilustracin 5.42: Sistema elico para el bombeo mecnico de agua.

La tecnologa de aerobombeo ha sido materia de estudio y desarrollo de algunassoluciones interesantes, particularmente desde 1980 donde algunas soluciones sonrealidades comerciales y disponibles en el mercado. Sobra mencionar que equipostradicionales de aerobombeo directo como los molinos multipala americanos, han tenidopoco desarrollo en aos recientes, ya que estos equipos han demostrado su viabilidad yrobustez desde principios del siglo XX.

El tipo de solucin tcnica al problema de aerobombeo depende de la disponibilidad delrecurso hidrulico, ya que su localizacin determina la estrategia de bombeo. En estesentido se distinguen dos situaciones prcticas, a saber: aerobombeo directo yaerobombeo remoto.

La primera situacin de bombeo ocurre cuando la fuente de agua es un pozo o aljibe y lasolucin de aerobombeo es la aplicacin de bombeo directo en el cual el molino se colocadirectamente sobre la fuente de agua. Este tipo de instalacin es la ms comn de lasaplicaciones de aerobombeo. (Ver Ilustracin 5.42). Una variante de esta aplicacinpuede ser cuando la bomba esta extrayendo agua de un ro y la bomba hidrulica puedeser localizada en la base de la torre y la accin de bombeo de realiza lateralmente. LaIlustracin 5.43 resume estos tipos de instalaciones.


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Ilustracin 5.43: Figura 2 Configuracin tpica de aerobombeo directo.(Tomado de: Gipe, P. Wind Power for Home & Business, 1993)

La segunda opcin, la de aerobombeo remoto, consiste en el tipo de solucin, en la cual la

fuente de agua se encuentra apartada de la posible localizacin de la torre de laaerobomba. Esta situacin es tpica de regiones montaosas en las cuales el recursoelico tiene mayor intensidad en la cima de las montaas y la fuente de agua es un ro,un pozo o aljibe que se encuentra a gran distancia, tanto lateral como vertical.

Dependiendo del tipo de instalacin, sea directa o de bombeo remoto, se handesarrollado esquemas de bombeo en la cual se incluyen transmisiones de movimientode diversas formas. Por lo tanto cada solucin determina el tipo de bomba hidrulicaque se puede utilizar.

En lo que va del siglo XX, los molinos destinados al bombeo de agua no fueron objeto dedesarrollos significativos. Las mquinas ms utilizadas en la actualidad (multipala), con

excepcin de la incorporacin de nuevos materiales, no difieren en mucho de lasdesarrolladas hace ms de 100 aos. Actualmente se estn estudiando mquinas conacoplamiento directo a bombas centrfugas, salto tecnolgico importante que podra permitir la extraccin de mayores volmenes de agua y alcanzar mayoresprofundidades que las permitidas por las bombas de pistn.

Una forma ms detallada y resumida de las aplicaciones de la energa elica se muestraen la siguiente ilustracin:


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Ilustracin 5.44: Aplicaciones de la energa elica.

Las turbinas elicas (aerogeneradores) han experimentado durante los ltimos 20 aosun desarrollo significativo. Se han mejorado los rendimientos, ha aumentado laconfiabilidad y se han reducido los costos. El nico punto sobre el que quedan algunasdudas es la durabilidad. Si bien en los clculos se acostumbra tomar 20 aos de vida til,por el momento, ninguna de las mquinas actualmente en operacin ha alcanzado esetope.

La industria es an demasiado joven y debe esperar unos 10 aos ms para demostrarcon los hechos que esa meta es alcanzable; las tecnologas y materiales empleados dan

un margen de confianza razonable. Tanto en el campo de las pequeas potencias comoen el de los sistemas conectados a las grandes redes de distribucin, la energa elica puede competir, si las condiciones son adecuadas, con los sistemas convencionales degeneracin. Sus limitantes ms importantes son, quizs, el desconocimiento que muchostienen de esta realidad y la falta de incentivos para la realizacin de inversiones en elsector.

4.1.4. Descripcin de las mquinas elicas.

Una mquina para la captacin de la energa del viento es un sistema mecnico,constituido por un conjunto de elementos agrupados en subsistemas, que es capaz de

tomar la energa cintica del viento y transformarla en otro tipo de energa (mecnica,elctrica, etc.) para ser usada directamente, o almacenada para su empleo posterior.

En la siguiente ilustracin se muestra esquemticamente el conjunto de subsistemas queconforman una mquina elica generadora de electricidad (aerogenerador) y unamquina elica generadora de energa mecnica (aerobomba).


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Ilustracin 5.45: Conjunto de subsistemas que conforman a una mquina elica.

4.1.4.1. El sistema elico.

El sistema elico est formado por un conjunto de subsistemas que interaccionan entre spara el buen funcionamiento de la mquina, basaremos nuestra descripcin en funcin alas mquinas elicas rpidas o aerogeneradores por ser las que presentan el sistemacompleto. El sistema elico esta conformado por:

a) Subsistema de captacinb) Subsistema de orientacinc) Subsistema de regulacin y controld) Subsistemas de transmisine) Subsistemas de aprovechamientof) Subsistema de sustentacin

Antes de entrar al estudio del sistema elico observemos con detalle las siguientesilustraciones, que muestran la diferencias constructivas entre una mquina elica paragenerar electricidad (ilustracin 5.46) y una mquina elica para bombeo (ilustracin5.47).


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Ilustracin 5.46: Esquema tpico de un generador elico actual.


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Ilustracin 5.47: Esquema tpico de una mquina elica para bombeo (aerobomba).

Las componentes principales de un sistema de aerobombeo son: el rotor elico(subsistema de captacin), el cual extrae la energa cintica del viento y la convierte enenerga rotacional. La energa rotacional mecnica en el eje del rotor elico esconvertida en un movimiento oscilatorio ascendente-descendente a travs de latransmisin (subsistema de transmisin). Esta puede tener una caja de reduccin develocidad (subsistema de regulacin y control) y un sistema biela-manivela (subsistema

de transmisin) para excitar el vstago que mueve la bomba de pistn (subsistema deaprovechamiento) o simplemente con accin directa sin reduccin de velocidad. Todo


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este conjunto esta soportado por una torre (subsistema de sustentacin) y generalmenteesta provisto con un sistema de seguridad (subsistema de regulacin y control) paraevitar operacin de la aerobomba en condiciones de extremas de velocidad de viento,para su proteccin.

Existen componentes adicionales y las cuales juegan un papel importante en la accin debombeo como es el sistema de tuberas para ascenso y distribucin de agua (subsistemade aprovechamiento) y dependiendo de la instalacin se requiere de un tanque dealmacenamiento de agua.

En el caso de un sistema eolo-elctrico, es sabido que la energa rotacional del eje delrotor elico alimenta un generador elctrico, generalmente un generador de imanes permanentes en sistemas pequeos, el cual produce energa elctrica. Componentesadicionales como controles electrnicos de carga, bateras, cables son requeridos enestos sistemas.

En funcin de la estrategia de emplazamiento de la aerobomba, existen elementosadicionales como los sistemas de transmisin hidrulica, neumtica, etc., los cualesimprimen cierta complejidad a la solucin de aerobombeo. Como se mencionoanteriormente, algunas estrategias de aerobombeo no son totalmente confiables, aunquealgunas de estas sean comerciales. Debe tenerse en cuenta que los sistemasconvencionales de aerobombeo tienen la ventaja de trabajar desatendidos por largosperiodos de tiempo y algunos de estos sistemas como el aerobombeo remoto neumtico hidrulico requieren de permanente supervisin, para un satisfactorio funcionamiento.

4.1.4.1.1. Subsistema de captacin.

El subsistema de captacin lo constituye la rueda o turbina elica propiamente dicha. Sumisin es transformar la energa cintica del aire en energa mecnica (giro de un eje,con una cierta potencia). Como ya vimos en la clasificacin general de las mquinaselicas, la posicin del eje que soporta la rueda elica determina una primeraclasificacin de estas mquinas en: mquinas de eje horizontal y de eje vertical.

Ilustracin 5.48: Construccin tpica de una pala de aerogenerador.

A su vez, cada uno de estos grupos se subdivide en otros grupos, segn la forma de laspalas o elementos de captacin. As se tienen de nuevo dos grupos:

a)

Con palas de seccin constante (normalmente, con forma de chapas, planas ocurvadas).b) Con palas de seccin variable (de perfil aerodinmico tipo "ala de avin").


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Por otro lado, los diferentes arreglos sealan otras diferencias, como pueden ser:

Nmero de palas en la rueda (monopala, bipala, tripala, multipala). Nmero de ruedas de la mquina (Bihlice, multirotor). Posicin de la rueda respecto del viento (rotor a barlovento y rotor a sotavento).

Finalmente, el material y la construccin de las palas tambin sealan importantesdiferencias, segn sean de tela, madera, acero, fibra de vidrio o de carbono u otrascombinaciones, y tambin segn se resuelva su construccin estructural: pala maciza,hueca con cuadernas, etc.

Los rotores elicos utilizados en aerobombas, generalmente deben estar provistos demuchas palas (rotor multipala) debido a que son equipos de baja velocidad y requierende fuerzas altas para realizar la funcin de bombeo. Es por esto que rotor multipalaamericano pueden llegar a tener 12, 18, 24 an 36 palas (ver ilustracin 5.49). Estosrotores se conocen tcnicamente como rotor elico de alta solidez, baja velocidad y altomomento par en el eje.

Ilustracin 5.49: Rotor multipala de aerobomba y detalle de los labes.

Desarrollos recientes, como en el rotor del molino de viento Gaviotas, es un rotor desolidez intermedia, ms rpido y su diseo es considerado de bajo peso.

Como se ver ms adelante, la solidez() de un rotor se define como la relacin entre elrea ocupada por las palas del rotor y el rea circular del rotor barrida en un giro. Elrotor multipala americano puede alcanzar una solidez cercana al 85% contra unasolidez del rotor Gaviotas del 30%.

En el otro extremo de diseo de rotores elicos, por ejemplo, para generacin elctrica enla cual se requiere de mayor velocidad se utilizan rotores con solamente 3 palas

aerodinmicas. La solidez de estos rotores de alta velocidad puede ser tan baja como de7 a 8%.

Otro aspecto importante que define la operacin de un rotor elico es la relacin queexiste entre la velocidad perifrica (U) de la punta de las palas y la velocidad axialde viento (V) que incide sobre el rotor.

Esta relacin se conoce como la velocidad especifica, celeridad o TSR (). As pues,un rotor con alta solidez tiene una relacin de velocidad especfica con un valor entre 1 y2. Rotores con menor nmero de aspas (5 6) tienen una relacin de velocidad especficaentre 2 y 4. Rotores elicos para generacin de electricidad son diseados con relacionesde velocidad especfica entre 6 y 10.


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A manera de ejemplo, si a un rotor elico le incide un viento de 5 m/s, la velocidadperifrica de la punta de las aspas para un rotor de alta solidez puede llegar a ser cercade 7 a 8 m/s. Un rotor elico con solidez intermedia tendr una velocidad perifricacercana a los 15 m/s. Si en este ejemplo se considera un rotor de 3 metros de dimetroquerr decir que el equipo de alta solidez gira a 50 rpm contra 100 rpm para el equipode ms baja solidez. A mayores velocidades de viento ms alta ser la velocidad de giro.

En efecto, para una velocidad de viento dada, rotores de menor dimetro (entre 2 y 4metros) giraran a ms alta velocidad rotacional que un rotor con mayor dimetro (seams de 5 metros). Las altas velocidades inducidas en la transmisin operando unabomba de pistn resultaran en elevados niveles de carga y esfuerzo que la construccindel equipo (torre, transmisin y vstago) no podr resistir. Por ello es necesario proveerla transmisin con un reductor de velocidad en el cual con varias vueltas del rotor produzca un ciclo de bombeo. Un correcto acople entre sistema de transmisin demovimiento para pulsar una bomba de pistn tpica exige que esta no exceda los 40ciclos por minuto en todo el rango de operacin. Evidencia terica y experimentaldemuestran que mayores velocidades de operacin de bombas de pistn resultan en unincremento en los daos producidos en todos los componentes de las aerobombas,reduciendo sustancialmente la vida til del sistema.

Nuevos desarrollos de aerobombas de baja solidez sin necesidad de caja reductora develocidades para la accin de bombeo, incluye elementos adicionales como elementos flexibles en la transmisin, diseo adecuado de las tuberas de ascenso y adecuadossistemas de seguridad para evitar altas velocidades de pulsacin de las bombas.

4.1.4.1.2. Subsistema de orientacin.

Dada la variabilidad en la direccin del viento, la misin del subsistema de orientacines hacer que la turbina elica se mantenga siempre con su plano perpendicular a la

direccin del viento, de manera que la superficie enfrentada a ste sea siempre lamxima. Evidentemente, este subsistema slo es necesario en las mquinas de ejehorizontal, y no en las de eje vertical, que son "neutras" a la direccin del viento. Lossistemas de orientacin son de tipo "pasivo" (mecnicos), o de tipo activo (elctrico yelectrnico). Dentro de los primeros se encuentran tres grupos:

Los basados en una veleta. Este sistema se utiliza preferente para lasaerobombas, en la que la veleta es una plancha de acero o aluminio de formatrapezoidal de rea, peso y distancia del eje de rotacin adecuados, adems paraeste tipo de sistemas la veleta sirve como un contrapeso para equilibrar lamquina.

Los basados en una rueda lateral y un mecanismo de engranajes. Cuando elviento cambia de direccin, incide sobre las ruedas laterales, hacindolas girar, ytransmitiendo su giro a la barquilla que soporta la turbina y sta quedaorientada de nuevo al viento, en ese momento las ruedas laterales ya no sonaccionadas por ste.

Los basados en la colocacin a sotavento de la turbina, respecto del eje pivote dela barquilla, en este caso, la turbina y la barquilla pueden girar librementealrededor del eje de la torre, y la diferencia entre las fuerzas de empuje sobre las palas, segn estn dando ms o menos la cara al viento, producen laautoorientacin de la rueda. Para que este efecto se potencie se disponen las palasen forma de cono, y no en un plano.


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Los tres tipos de sistemas de regulacin pueden apreciarse en las siguientesilustraciones:

Ilustracin 5.50: Subsistemas de orientacin para aerogeneradores.

Ilustracin 5.51: Subsistema de orientacin para aerobombas.

Los sistemas activos constan de:

Un "sensor" que seala en todo momento la direccin del viento (una veletainstrumentada).

Un microprocesador que identifica los cambios de direccin del viento respecto dela posicin de la turbina.

Un motor elctrico que, puesto en marcha por el microprocesador, hace que girela barquilla que soporta la turbina hasta que sta se coloque en la posicincorrecta.


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4.1.4.1.3. Subsistema de regulacin y control.

Dada la variabilidad en la intensidad del viento, as como la de la carga aplicada a lamquina elica en muchos casos, se precisa de un sistema, que permita regular lavelocidad de funcionamiento evitando:

Posibles embalamientos.- Por exceso de viento bajo carga constante.- Por descensos en la carga.

Prdidas de velocidad.- Por falta de viento con la carga plenamente aplicada.- Por aumentos repentinos de la carga aplicada.

De esta importante misin se encarga el sistema de regulacin.

Por otro lado, tambin existe un sistema de control, que permite parar y arrancar la

mquina a voluntad, pararla automticamente en caso de averas, etc. De estos aspectosse encarga el sistema de control (an cuando normalmente ambos sistemas, deregulacin y de control, estn totalmente integrados).

La mayora de los aerogeneradores actuales son de velocidad constante: la velocidad degiro de su rotor debe permanecer casi constante a pesar de la variacin de la velocidaddel viento. Adems algn dispositivo debe limitar la potencia y proteger alaerogenerador de sobreesfuerzos en caso de fuertes vientos. Estas funciones las asume elsistema de regulacin de velocidad. Los mtodos de regulacin de velocidad se puedenclasificar en dos grupos:

Mtodos basados en palas fijas. Mtodos basados en palas orientables.

Hoy en da son muchos los aerogeneradores que efectan la regulacin de velocidad porpaso fijo de manera que, por encima de la velocidad nominal, la pala entra en prdidaaerodinmica limitando la potencia de salida. Existen tambin tcnicas adicionales decontrol de velocidad con palas fijas como son la aleta estabilizadora articulada que giraal rotor en direccin paralela al viento.

Ilustracin 5.52: Subsistemas de regulacin.


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Respecto a los mtodos de regulacin de velocidad basados en palas orientables, estospermiten la adaptacin de las palas a diferentes condiciones de viento hasta el repliegueen caso de viento muy fuerte.

Existen mltiples mtodos, ya sean constituidos por resortes, masos o servomotores.Pocos sistemas elicos tienen un sistema de regulacin de velocidad orientable medianteel cual el ngulo de paso est cambiando constantemente, la mayora de los sistemasconsideran a las palas fijas en un ancho margen de viento. Estos mtodos tienenmltiples ventajas:

Ayudan a arrancar el rotor, posicionan el ngulo de ataque de la pala de formaque est

en el punto de operacin ptimo. Efectan el control de vueltas para que no se sobrecargue el generador. Protegen a todo el sistema frente a daos debidos a una alta velocidad del viento.

Actualmente, la regulacin de los aerogeneradores se lleva a cabo en un control que

suele ser un ordenador. El sistema de control electrnico recibe, mediante censores quemonitorizan las variables ms importantes, datos como la velocidad del viento, lasrevoluciones por minuto del eje, las vibraciones que puedan aparecer, la potenciagenerada, el ngulo de paso de la pala, etc. A partir de estas entradas, el ngulo de pasode la pala ptimo se obtendr mediante un algoritmo, a partir del cual se enve unaorden adecuada a los actuadores. Esta tcnica controla las vueltas del rotor en todo elrango de operacin. Si se detecta algn problema o algn parmetro fuera del rango preseleccionado, el sistema, actuando sobre los servomecanismos del ngulo de paso,pondr a la pala fuera de operacin (posicin de bandera, ngulo = 90); cuando todovuelva a la normalidad efectuar el proceso de arranque de nuevo.

Regulacin de potencia.

Desde el punto de vista de la potencia existen dos apartados: uno es la conexin delgenerador a la red cuando las vueltas del mismo estn a velocidad de sincronismo. Estacondicin se da cuando no hay exceso de par y la potencia ni entra ni sale del generador.

La otra es el control de velocidad del rotor; as no existe sobrepotencia en el generador(exceso de deslizamiento, par u otros parmetros) y no se causan daos en el sistema degeneracin. El control de vueltas del rotor se ha discutido en la seccin anterior y lonico que se debe recordar es que si se desconecta elctricamente al generador, se debeutilizar algn tipo de control de velocidad del rotor.

En el caso de las aerobombas, los rotores elicos deben tener la capacidad de girar para

encarar el viento en caso de que este cambio su direccin y al mismo tiempo protegersede intensidades de viento muy altas que pueden causar sobrecargas excesivas a la torre,a la transmisin y al rotor. Diversos diseos se han probado e implementado paraalcanzar la accin de control y seguridad necesarios para la proteccin del equipo deeventuales rachas de alta velocidad de viento y tormentas.

Generalmente los subsistemas de regulacin y control se combinan con los sistemas deorientacin, del tipo mecnico, y en los cuales se garantiza que a bajas velocidadesde viento el rotor enfrente plenamente el viento y con velocidades de viento mayores elrotor se desoriente para limitar la velocidad de excitacin de la bomba y reducir, as, lasfuerzas y cargas inducidas en todo el sistema.

Los sistemas mecnicos de regulacin - control y orientacin, fundamentalmente, sebasan en la colocacin excntrica entre el eje del rotor y el eje vertical de la torre. Esta


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excentricidad es pequea y permite la presencia de una fuerza de empuje horizontalejercida por el rotor tendiendo a auto-rotar alrededor del eje vertical de la torre. Elbalanceo o desbalanceo de esta fuerza de empuje horizontal (representado en unmomento par vertical) se logra a travs fuerzas aerodinmicas ejercidas sobre la cola dela aerobomba o sobre placas laterales que regulan este movimiento vertical.

Generalmente, el desequilibrio de estas fuerzas, cuando se saca el rotor de la direccindel viento incidente, es compensado por contrapesos o resortes que recuperan lacolocacin del rotor elico cuando la velocidad del viento disminuye.

Los sistemas de regulacin control y orientacin comienzan a operar a velocidades deviento entre 10 y 12 m/s (35 a 40 km/hr) y detienen complemente el rotor y lo sacan deoperacin a velocidades cercana a los 15 m/s (50 km/hr). Adicionalmente, alsistema mecnico de regulacin control y orientacin, algunas aerobombas tambincuentan con frenos mecnicos operados manualmente para frenar totalmente el sistema para permitir actividades de mantenimiento o detenerlo cuando no se requiereabastecimiento de agua.

Vale la pena mencionar que la inadecuada operacin de un sistema de regulacin control y orientacin conduce a situaciones catastrficas poniendo el riesgo la altainversin que implica una instalacin de aerobombeo. La siguiente ilustracin muestrael mecanismo de seguridad simplificado de las aerobombas convencionales multipalaamericano.

Ilustracin 5.53: Sistema de regulacin control y orientacin con cola trasera.

4.1.4.1.4. Subsistema de transmisin.

Es el encargado de transmitir la potencia en el eje de la turbina elica hasta elsubsistema de aprovechamiento (generador elctrico, bomba de pistones, etc.).

Normalmente esta transmisin puede ser directa o a travs de una caja multiplicadora.


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Este subsistema est formado por:

Trenes de engranajes. rboles de transmisin Sistemas hidrulicos de potencia (o cualquier combinacin de stos).

En el caso de aerogeneradores, el subsistema de transmisin tiene otra misinimportante, y es la de conseguir, que a partir de las bajas revoluciones por minuto de laturbina elica, el alternador sea accionado con la alta velocidad que exigen los modeloscomerciales.

Ilustracin 5.54: Diferentes engranajes para diferentes procesos de transmisin.En una aerobomba

Por qu utilizar una caja multiplicadora?

La potencia de la rotacin del rotor de la turbina elica es transferida al generador atravs del tren de potencia, es decir, a travs del eje principal, la caja multiplicadora y eleje de alta velocidad.

Pero, por qu utilizar una caja multiplicadora? No podramos hacer funcionar elgenerador directamente con la energa del eje principal?. Si ussemos un generadorordinario, directamente conectado a una red trifsica de CA ( corriente alterna ) a 50 Hz, con dos, cuatro o seis polos, deberamos tener una turbina de velocidadextremadamente alta, de entre 1000 y 3000 revoluciones por minuto (r.p.m.), como sever cuando hablemos del subsistema de aprovechamiento, con un rotor de 43 metros de

dimetro, esto implicara una velocidad en el extremo del rotor de bastante ms de dosveces la velocidad del sonido, as es que deberamos abandonar esta opcin.

Otra posibilidad es construir un generador de CA lento con muchos polos. Pero siquisiera conectar el generador directamente a la red, acabara con un generador de 200polos (es decir, 300 imanes) para conseguir una velocidad de rotacin razonable de 30r.p.m.

Otro problema es que la masa del rotor del generador tiene que ser aproximadamente proporcional a la cantidad de par torsor (momento, o fuerza de giro) que tiene quemanejar. As que, en cualquier caso, un generador accionado directamente ser muypesado (y caro).


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Menos par torsor, ms velocidad.

La solucin prctica, utilizada en direccin contraria en muchas mquinas industriales,y que est relacionada con los motores de automviles, es la de utilizar un multiplicador.

Con un multiplicador se hace la conversin entre la potencia de alto par torsor, queobtiene del rotor de la turbina elica girando lentamente, y la potencia de bajo partorsor, a alta velocidad, que utiliza en el generador.

La caja multiplicadora de la turbina elica no "cambia las velocidades". Normalmente,suele tener una nica relacin de multiplicacin entre la rotacin del rotor y elgenerador. Para una mquina de 600 750 kW, la relacin de multiplicacin suele seraproximadamente de 1:50.

La fotografa de abajo muestra una caja multiplicadora para un aerogenerador de 1,5 MW. Esta particular caja multiplicadora es un tanto inusual, pues tiene bridas paraacoplar dos generadores en la parte de alta velocidad (en la derecha). Los accesoriosnaranja, que estn justo debajo de los dispositivos de sujecin de los generadores(derecha), son frenos de emergencia de disco accionados hidrulicamente. El fondopuede ver la parte inferior de una gndola para una turbina de 1,5 kW.

Ilustracin 5.55: Caja multiplicadora para un aerogenerador de 1.5 MW.

Los sistemas de engranajes se usan principalmente para los sistemas elicos degeneracin de electricidad, primeramente en estos es necesario aumentar la velocidad degiro, ya que generalmente los rotores tienen una velocidad de giro demasiado bajas(


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La transmisin en una aerobomba es aquella que toma el movimiento giratorio del ejedel rotor y lo convierte en un movimiento lineal de ascenso y descenso para pulsar labomba de pistn, denominado movimiento biela manivela (vea la siguiente ilustracin).

Ilustracin 5.57: Sistema biela manivela.

Aquellas aerobombas que requieren reductor de velocidad generalmente utilizan dobleengranaje para aliviar las cargas disparejas en el mecanismo de biela manivela (verilustracin 5.57 y 5.58). La reduccin de velocidad tpica es de 3 a 1 y el conjuntoviene sumergido en un bao de aceite para la adecuada lubricacin.

Ilustracin 5.58: Caja reductora de velocidad en aerobomba.

(Tomado del Manual: Assembly Instructions, Dempster Industries, Inc.,Nebraska, 1980)

El movimiento oscilante producido por el sistema de bielas y manivelas es transmitido ala bomba por un vstago guiado en varios puntos, ya que puede alcanzar longitudesconsiderables sobretodo en bombeo desde un pozo profundo. Los vstagos cuentan conun eslabn giratorio para desacoplar cualquier giro vertical causado por cambios en ladireccin del viento, para prevenir que este giro sea transmitido a la bomba. Adicionalmente, el vstago cuenta con un fusible mecnico proteger la bomba de

eventuales daos que pueden ocurrir.


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4.1.4.1.5. Subsistema de aprovechamiento o generacin.

Es el encargado de efectuar un trabajo til partiendo de la energa captada por laturbina.

Ilustracin 5.59: Generador elctrico dentro de la gndola de una mquina elica,este elemento es el principal componente de este subsistema.

Los subsistemas de aprovechamiento pueden clasificarse en dos grandes grupos:sistemas mecnicos y elctricos.

A. Sistemas mecnicos.

Entre los sistemas de aprovechamiento mecnicos se encuentran los sistemas mecnicosdirectos:

Una polea perteneciente al subsistema de transmisin que permite accionardirectamente una mquina herramienta. Las bombas hidrulicas que permiten a partir de ellas accionar motoreshidrulicos o el bombeo de agua en pozos.

Los compresores de aire u otro gas, a partir del cual se pueden accionar sistemasneumticos.

Ilustracin 5.60: Ejemplo de aprovechamiento en bombeo de agua.


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Dentro de la hidromaquinaria, las bombas se emplean para aumentar el nivel energticode fluidos (gases, lquidos, mezclas de los anteriores entre s con slidos),convirtiendo energa mecnica externa en energa hidrulica. Su uso no se limitaexclusivamente a cambiar un lquido de altura, sino a llevar fluidos a travs de largasdistancias o de condiciones de baja a alta presin.

Las bombas hidrulicas se dividen en dos grandes grupos: Bombas rotodinmicas yBombas de desplazamiento positivo.

Las bombas rotodinmicas radican el aumento de energa en el fluido de trabajo, enprincipios dinmicos a travs de la accin de la fuerza centrfuga ejercida por un rotor. Entre las maquinas ms comunes estn las bombas centrfugas, especiales paraaplicaciones de alta cabeza de bombeo, y por supuesto, bajo caudal bombeado. Lasbombas rotodinmicas de flujo mixto son adecuadas para caudal y cabezas de bombeointermedio y las bombas de flujo axial, especialmente tiles para condiciones de bombeode baja cabeza y grandes caudales del fluido de trabajo.

Ilustracin 5.61: Bombas rotodinmicas: bombas centrfugas(a), bombas axiales (b) y bombas mixtas (c).

Las bombas de desplazamiento positivo cuentan con una o ms cmaras que sellenan o vacan cclicamente, este tipo de bomba desplaza "paquetes" de flujo a intervalosregulares desde la succin hasta la descarga. Hay dos grupos grandes de maquinaria dedesplazamiento positivo: las bombas reciprocantes de pistn, y las rotatorias, queutilizan piones, engranajes, tornillos, husillos y paletas deslizantes.


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Ilustracin 5.62: Bomba reciprocante de pistn.

No importa si son reciprocantes o rotativas, las bombas de desplazamiento positivotienen, en contraste con las bombas rotodinmicas la siguiente caracterstica: en teora,un sello permanente que no permite por instante alguno la comunicacin simultaneaentre las tuberas de succin y descarga. El sellado por lo general es logrado por mediode vlvulas internas por ajustes con huelgos restringidos entre las partes internas de labomba. (Burton & Loboguerrero, 1999).

El acople de rotores elicos a diversos tipos de bombas se realiza a travs del subsistemade transmisin, sea esta de accin mecnica rotatoria, de accin mecnica reciprocante,accin hidrulica reciprocante, aun transmisin con cables elctricos. (Pinilla, 1985).

Las aerobombas comerciales se han centrado en solo cinco tipo de soluciones confiables,

sin embargo algunas de ellas requieren mayor desarrollo e investigacin, al igual queotro tipo de esquemas no mencionadas en este documento, ya que no son solucionesviables econmicamente en la actualidad.

Las cinco soluciones de aerobombas son:

Aerobombas acopladas a bombas de pistn: El rotor elico esta acopladomecnicamente (o con acople directo o con un reductor de velocidad) a unabomba de pistn a travs de un vstago que transmite el movimiento oscilantedesde la parte superior de la torre hasta la bomba sumergida generalmentedentro del pozo o fuente de agua. Esta instalacin, es por lejos, la ms comn enlas soluciones de aerobombeo al nivel mundial.

Aerobombas con transmisin rotatoria: El rotor elico transmite su energarotacional a travs de una transmisin mecnica rotatoria (caja de cambios)para acoplarse a una bomba rotodinmica (una bomba centrfuga axial) o dedesplazamiento rotatoria (una bomba de tornillo un tornillo de Arqumedes).Este esquema de aerobombeo generalmente es usado para aplicaciones de bajacabeza y grandes volmenes de agua.

Aerobombas con transmisin neumtica: Algunas compaas comerciales fabrican equipos elicos provistos de compresores reciprocantes. El airecomprimido puede ser utilizado para operar bombas de Ascenso de aire (air lift

pumps) acopladas a cilindros hidrulicos para el accionamiento de bombasreciprocantes convencionales. Esta solucin neumtica permite su uso paraaplicaciones de aerobombeo remoto.


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Aerobombeo elctrico: Este esquema consiste en la generacin de energa

elctrica, la cual puede ser transmitida a travs de cables para la operacin debombas sumergibles elctricas comerciales (sin requerir acoplamiento a la redelctrica). Este esquema, al igual que la transmisin neumtica, es til enaplicaciones de aerobombeo remoto.

Aerobombeo con transmisin hidrulica: Este tipo de solucin se encuentra enuna fase experimental, y es muy similar a la transmisin neumtica con ladiferencia que el fluido de trabajo es agua. Esta solucin ha sido aplicada encondiciones de bombeo remoto.

Generalmente los tipos de esquemas de aerobombeo, brevemente descritos, son operadoscon rotores elicos de eje horizontal. Algunos desarrollos de esquemas aerobombeo enlos aos setentas utilizaron rotores elicos de eje vertical (esto es: Rotor Savonius). Estosintentos no han guiado a soluciones de bombeo prcticas debido a las bajas eficiencias deconversin de energa y aerobombas excesivamente pesadas, con costos de bombeo muy

altos.B. Sistemas de aprovechamiento elctrico.

Entre los sistemas de aprovechamiento elctrico pueden emplearse: los generadores decorriente continua y los de corriente alterna sncronos y asncronos.

Generadores de c.c.: poco empleados excepto para carga directa de bateras, latensin generada depende de la velocidad de giro de la turbina, lo cual es unaspecto a tener en cuenta. Por otro lado, no requieren ninguna conexin elctricaexterior y generan corriente an para bajas velocidades de giro, por lo que sonidneos para suministro elctrico a lugares aislados, con pocos requerimientos

energticos.

Generadores sncronos (alternadores): dado que la corriente de excitacin (paragenerar el campo magntico) es corriente continua de procedencia "exterior", lafrecuencia de la corriente alterna producida depende de la velocidad de giro de laturbina elica, por lo que cuando se precisen frecuencias estabilizadas esnecesario disponer de sistemas de regulacin de la elica muy precisos.

Por otro lado, tambin se precisan sistemas de regulacin de tensin, dado questa se elevar para velocidades de giro altas. Sin embargo, como la corriente deexcitacin es fcil de obtener de la corriente del propio generador sncrono,previamente rectificada, estos aerogeneradores son idneos para su colocacin

en lugares aislados (no conectados a la red elctrica general).

Generadores asncronos: la corriente de excitacin ha de ser alterna, por lo quenecesitan estar conectados a una red elctrica, que facilite esta corriente deexcitacin, por lo que su utilizacin aislada es complicada (para estos casos seutilizan sistemas de conversores alterna-continua-alterna). Presentan la ventajade su extrema sencillez constructiva y de que la frecuencia de la corrientegenerada es constante (la misma que la de la corriente de excitacin).

Los aerogeneradores son algo inusuales, si se les compara con los otros equiposgeneradores que suelen encontrarse conectados a la red elctrica. Una de las razones esque el generador debe trabajar con una fuente de potencia (el rotor de la turbina elica)

que suministra una potencia mecnica muy variable (momento torsor).


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Generadores de C.A.

Presentan la ventaja de su extrema sencillez constructiva y de que la frecuencia de lacorriente generada es constante (la misma que la de la corriente de excitacin).

Generadores sncronos (alternadores).

Ilustracin 5.63: Motor sncrono bipolar.

Siguiendo con la ilustracin, hemos construido de hecho lo que se llama motor sncronobipolar de imn permanente. La razn por la que se llama motor sncrono es que el imndel centro girar a una velocidad constante sncrona (girando exactamente como elciclo) con la rotacin del campo magntico.

La razn por la que se le llama bipolar es que tiene un polo norte y un polo sur. Puedeparecerle tripolar, pero de hecho la aguja de la brjula siente la traccin de la suma delos campos magnticos que estn alrededor de su propio campo magntico. Por tanto, siel imn de la parte superior es un polo sur fuerte, los dos imanes de la parte inferiorequivaldrn a un polo norte fuerte.

Se llama motor de imn permanente debido a que la aguja de la brjula del centro es unimn permanente, y no un electroimn (se podra fabricar un motor real sustituyendo laaguja de la brjula por un potente imn permanente, o un electroimn que mantenga sumagnetismo gracias a una bobina, arrollada alrededor de un ncleo de hierro,alimentada con corriente continua).

Al montaje con los tres electroimanes se le denomina estator del motor, porque es laparte del motor que permanece esttica (en el mismo lugar). La aguja de la brjula delcentro es el llamado rotor, obviamente porque es la parte que gira.

Dado que la corriente de excitacin (para generar el campo magntico) es corrientecontinua de procedencia "exterior", la frecuencia de la corriente alterna producidadepende de la velocidad de giro de la turbina elica, por lo que cuando se precisen frecuencias estabilizadas es necesario disponer de sistemas de regulacin de la elicamuy precisos.

Por otro lado, tambin se precisan sistemas de regulacin de tensin, dado que sta seelevar para velocidades de giro altas. Sin embargo, como la corriente de excitacin esfcil de obtener de la corriente del propio generador sncrono, previamente rectificada,estos aerogeneradores son idneos para su colocacin en lugares aislados (noconectados a la red elctrica general).

En cuanto a la frecuencia: en la ilustracin, la aguja de la brjula (con el polo nortepintado de rojo) seguir exactamente el campo magntico, y completar una revolucin


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por ciclo. En una red de 50 Hz, la aguja completar 50 revoluciones por segundo, lo queequivale a 50 veces 60 = 3000 r.p.m. (revoluciones por minuto).

Operacin de un generador sncrono.

Si empieza a forzar el imn para que gire (en lugar de dejar que la corriente de red lomueva) descubrir que trabaja como generador, devolviendo corriente alterna a la red(debera tener un imn ms potente para producir mucha electricidad). Cuanta ms fuerza (par torsor) le aplique, mayor electricidad producir, aunque el generadorseguir girando a la misma velocidad, impuesta por la frecuencia de la red elctrica.

Puede desconectar completamente el generador de la red y construir su propia redelctrica trifsica, enganchando bombillas a tres bobinas arrolladas a electroimanes(recuerde el principio de induccin elctrica/magntica). Sin embargo, si desconecta sugenerador de la red principal tendr que accionarlo a una velocidad de giro constantepara que produzca corriente alterna a una frecuencia constante. Por lo tanto, con estetipo de generador, normalmente querr usar una conexin indirecta a red delgenerador.

En la prctica, los generadores sncronos de imn permanente no son muy usados. Hayvarias razones para que as sea. Una ellas es que los imanes permanentes tienden adesmagnetizarse al trabajar en los potentes campos magnticos en el interior de ungenerador.Otra de las razones es que estos potentes imanes (fabricados a partir de tierras raras,como el neodimio) son bastante caros, a pesar de que los precios han disminuidoltimamente.

Turbinas elicas con generadores sncronos.

Las turbinas elicas que utilizan generadores sncronos suelen usar imanes en el rotoralimentados por corriente continua de la red elctrica. Dado que la red suministracorriente alterna, hay que convertir la corriente alterna en corriente continua antes deenviarla a las bobinas arrolladas a los electroimanes del rotor. Los electroimanes delrotor estn conectados a la corriente mediante escobillas y anillos rozantes en el rbol(eje) del generador.

Generadores asncronos (o de induccin). En este tipo de generador la corriente de excitacin ha de ser alterna, por lo quenecesitan estar conectados a una red elctrica, que facilite esta corriente de excitacin,por lo que su utilizacin aislada es complicada (para estos casos se utilizan sistemas de

conversores alterna-continua-alterna).

Ilustracin 5.64: Generador asncrono.


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El dibujo ilustra los principios bsicos de un generador sncrono, como elque vimos anteriormente. En realidad, como ver slo la parte del rotor seve diferente.

La mayora de turbinas elicas del mundo utilizan un generador asncrono trifsico (de jaula bobinada), tambin llamado generador de induccin, para generar corrientealterna. Fuera de la industria elica y de las pequeas unidades hidroelctricas, este tipode generadores no est muy extendido; aunque de todas formas, el mundo tiene unagran experiencia en tratar con ellos: Lo curioso de este tipo de generador es que fueinicialmente diseado como motor elctrico. De hecho, una tercera parte del consumomundial de electricidad es utilizado para hacer funcionar motores de induccin quemuevan maquinara en fbricas, bombas, ventiladores, compresores, elevadores, y otrasaplicaciones donde se necesita convertir energa elctrica en energa mecnica. Otra delas razones para la eleccin de este tipo de generador es que es muy fiable, ycomparativamente no suele resultar caro. Este generador tambin tiene propiedadesmecnicas que lo hace especialmente til en turbinas elicas (el deslizamiento delgenerador, y una cierta capacidad de sobrecarga).

El rotor de jaula.

Este es el rotor que hace que el generador asncrono sea diferente del generadorsncrono. El rotor consta de un cierto nmero de barras de cobre o de aluminio,conectadas elctricamente por anillos de aluminio finales.

En el siguiente dibujo puede verse el rotor provisto de un ncleo de "hierro", utilizandoun apilamiento de finas lminas de acero aisladas, con agujeros para las barrasconductoras de aluminio. El rotor se sita en el centro del estator, que en este caso setrata de nuevo de un estator tetrapolar, conectado directamente a las tres fases de la redelctrica.

Ilustracin 5.65: Rotor de jaula.

Un componente clave del generador asncrono es el rotor de jaula. (Solallamarse rotor de jaula de ardilla, pero despus result ser polticamenteincorrecto ejercitar a sus roedores domsticos en una rueda de andar, yahora slo disponemos de este nombre menos encantador).

Funcionamiento como motor.

Cuando se conecte a la corriente, la mquina empezar a funcionar como motor,girando a una velocidad ligeramente inferior a la velocidad sncrona del campomagntico del estator. Qu es lo que ocurre?


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Ilustracin 5.66: Rotor visto desde arriba.

Si miramos las barras del rotor desde arriba (en el dibujo) tenemos un campo magnticomovindose respecto al rotor. Esto induce una corriente muy elevada en las barras delrotor, que apenas ofrecen resistencia, pues estn cortocircuitadas por los anillos finales.

El rotor desarrolla entonces sus propios polos magnticos, que se ven, por turnos,arrastrados por el campo magntico giratorio del estator.

Funcionamiento como generador.

Ahora bien, qu es lo que ocurre si hacemos girar el rotor de forma manual a,exactamente, la velocidad sncrona del generador, p.ej. 1500 r.p.m. (revoluciones porminuto) para el generador sncrono tetrapolar, tal y como anteriormente? La respuestaes: nada. Dado que el campo magntico gira exactamente a la misma velocidad que elrotor, no se produce ningn fenmeno de induccin en el rotor, por lo que nointeraccionar con el estator.

Y si aumentamos la velocidad por encima de las 1500 r.p.m.? En ese caso el rotor semueve ms rpidamente que el campo magntico giratorio del estator, lo que significaque, una vez ms, el estator inducir una gran corriente en el rotor. Cuanto ms

rpidamente hagamos girar el rotor, mayor ser la potencia transferida al estator en forma de fuerza electromagntica, y posteriormente convertida en electricidadsuministrada a la red elctrica.

Deslizamiento del generador.

La velocidad de un generador asncrono variar con la fuerza de giro (momento, o partorsor) que se le aplique. En la prctica, la diferencia entre la velocidad de rotacin a potencia mxima y en vaco es muy pequea, alrededor de un 1 por ciento. Estadiferencia en porcentaje de la velocidad sncrona es el llamado deslizamiento delgenerador. As pues, un generador tetrapolar girar en vaco a 1500 r.p.m. si se conectaa una red con una corriente de 50 Hz. Si el generador est funcionando a la mximapotencia, girar a 1515 r.p.m.

El hecho de que el generador aumente o disminuya ligeramente su velocidad si el partorsor vara es una propiedad mecnica muy til. Esto significa que habr menor roturay desgaste en la caja multiplicadora (menor par torsor mximo). Esta es una de las razones ms importantes para la utilizacin de generadoresasncronos, en lugar de generadores sncronos, en aerogeneradores directamenteconectados a la red elctrica.

Ajuste automtico de los polos del rotor.

Se ha dado cuenta de que no especificamos el nmero de polos del estator cuandodescribamos el rotor? Lo bueno del rotor de jaula es que l mismo adapta el nmero de


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polos del estator de forma automtica. As pues, un mismo rotor puede ser utilizado conuna gran variedad de nmeros de polos.

Requerimientos de conexin a la red.

En el caso generador sncrono de imn permanente mostramos que poda funcionarcomo generador sin conexin a la red pblica.

En un generador asncrono es diferente, pues precisa que el estator est magnetizado porla red antes de funcionar.

Sin embargo, se puede hacer funcionar un generador asncrono de forma autnoma si sele provee de condensadores que le suministren la corriente magnetizante necesaria.

Tambin es preciso que haya algo de remanencia en el hierro del rotor, es decir, algo demagnetismo restante, cuando se ponga en marcha la turbina (en caso contrario,necesitar una batera y electrnica de potencia, o un pequeo generador diesel, paraarrancar el sistema).

Generadores de deslizamiento variable para turbinas elicas.

Durante muchos aos, los fabricantes de motores elctricos se han enfrentado alproblema de que sus motores slo podan girar a velocidades casi fijas, determinadaspor el nmero de polos del motor.

Tal y como vimos en la pgina anterior, el deslizamiento del motor (o generador) en unamquina asncrona (de induccin) suele ser muy pequeo por cuestiones de eficiencia,por lo que la velocidad de giro variar alrededor de un uno por ciento entre el rgimenen vaco y a plena carga.

Sin embargo, el deslizamiento es funcin de la resistencia (medida en ohmios) de losdevanados del rotor del generador. A mayor resistencia, mayor deslizamiento. Por loque una de las formas de variar el deslizamiento es variar la resistencia del rotor. Deesta forma puede aumentarse el deslizamiento del rotor hasta, p.ej., un 10 por ciento.

En motores, esto suele hacerse mediante un rotor bobinado, es decir, un rotor con cablesde cobre arrollados conectados en estrella, y conectados a resistencias variablesexternas, adems de un sistema de control electrnico para operar las resistencias. Laconexin suele hacerse con escobillas y anillos rozantes, lo que supone un claroinconveniente respecto al diseo tcnico elegante y simple de una mquina de rotor dejaula bobinada. Tambin introduce partes que se desgastan en el generador, por lo que

requiere un mantenimiento adicional.Opti Slip.

Una variacin interesante del generador de induccin de deslizamiento variable evita losproblemas que introducen los anillos rozantes, las escobillas, las resistencias externas y,a su vez, el mantenimiento.

Montando las resistencias externas en el propio rotor, as como el sistema electrnico,todava le queda el problema de cmo comunicarle al rotor la cantidad de deslizamientoque necesita. Sin embargo, esta comunicacin puede hacerse de forma muy elegante,usando comunicaciones de fibra ptica, y enviando la seal a travs de la electrnica del

rotor cada vez que pasa por una fibra ptica fija.


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Funcionamiento a velocidad variable de una turbina de regulacin porcambio del ngulo de paso ("Pitch Controlled").

Como se mencion, ser capaz de hacer funcionar una turbina a velocidad variablesupone muchas ventajas. Una de las razones por las que se puede querer hacer funcionarla turbina a velocidad variable es que el control del ngulo de paso (control del partorsor para evitar sobrecargas en la caja multiplicadora y en el generador, variando elngulo de paso de las palas) es un proceso mecnico. Lo cual significa que el tiempo dereaccin del mecanismo de cambio del ngulo de paso viene a ser un factor crtico en eldiseo de turbinas.

Sin embargo, si se tiene un generador de deslizamiento variable, se puede empezar aaumentar el deslizamiento una vez se est cerca de la potencia nominal de la turbina. Laestrategia de control aplicada en un diseo ampliamente utilizado en turbinas danesases la de hacer funcionar el generador a la mitad de su deslizamiento mximo cuando laturbina est funcionando cerca de su potencia nominal. Cuando sopla una rfaga deviento, las seales del mecanismo de control hacen que el deslizamiento aumente parapermitir que el rotor gire un poco ms rpidamente, hasta que el mecanismo de cambiodel ngulo de paso puede hacer frente a la situacin, girando las palas ms hacia afueradel viento. Una vez que el mecanismo de cambio del paso ha hecho su trabajo, eldeslizamiento disminuye de nuevo. En el caso de que el viento caiga de repente, elmecanismo aplicado es el inverso.

Aunque estos conceptos puedan parecer simples, asegurar que los dos mecanismos decontrol cooperen de forma eficiente es todo un reto tcnico.

Cambio de la velocidad de giro del generador.

Un generador Tetrapolar.

La velocidad de un generador (o motor) que est directamente conectado a una redtrifsica es constante y est impuesta por la frecuencia de la red, tal y como vimosanteriormente.

Sin embargo, si dobla el nmero de imanes que hay en el estator, puede asegurar que elcampo magntico girar a la mitad de la velocidad.

Ilustracin 5.67: Generador Tetrapolar.

En el dibujo de la parte superior el campo magntico se mueve en el sentido de las agujasdel reloj durante media revolucin antes de alcanzar de nuevo el mismo polo magntico.


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Simplemente hemos conectado los seis imanes a las tres fases en el sentido de las agujasdel reloj.

Este generador (o motor) tiene cuatro polos en todo momento, dos polos sur y dos polosnorte. Dado que un generador slo completar media revolucin por ciclo, obviamentedar 25 revoluciones por segundo en una red de 50 Hz , o 1500 revoluciones por minuto(r.p.m.).

Al doblar el nmero de polos en el estator de un generador sncrono, tendremos quedoblar el nmero de imanes en el rotor, tal y como se ve en el dibujo. En caso contrario,los polos no iran parejos (podramos utilizar dos imanes en forma de herradura en estecaso).

Otros nmeros de polos.

Obviamente, podemos repetir lo que acabamos de hacer, e introducir otro par de polos,simplemente aadiendo 3 electroimanes ms en el estator. Con 9 imanes conseguimosuna mquina de 6 polos, que girar a 1000 r.p.m. en una red de 50 Hz. Los resultadosgenerales son los siguientes:

Tabla 5.14: Velocidades de un generador sncrono (r.p.m).

Nmero de polos 50 Hz 60 Hz2 3000 36004 1500 1800

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