Tren de Fuerza con multiplicador (página 2)

1. Brisa Marina: Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar por efecto del sol. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel del suelo que atrae el aire frío del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. Durante la noche los vientos soplan en sentido contrario. Normalmente durante la noche la brisa terrestre tiene velocidades inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es más pequeña.

   Nombre	Características	Lugar
   Autan	Seco y templado	SW de Francia
   Berg	Seco y cálido	Sudáfrica
   Bora	Seco y frío	NE de Italia
   Brickfielder	Seco y caliente	Australia
   Buran	Seco y frío	Mongolia
   Chinook	Seco y templado	W de Norteamérica
   Föhn	Seco y templado	Alpes
   Harmattan	Seco y fresco	Norte de África
   Levante	Húmedo y templado	Zona Mediterránea
   Mistral	Seco y frío	Valle del Ródano
   Santa Ana	Seco y caliente	Sur de California
   Sirocco	Seco y caliente	Sur de Europa
   Tramontana	Seco y frío	NE de España
   Zonda	Seco y templado	Argentina

   Tabla 1. Vientos Orográficos

   La energía en el viento: densidad del aire y área de barrido del rotor

   Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área de barrido del rotor y de la velocidad del viento. Ej. una porción cilíndrica de aire de 1 metro de espesor pasa a través del rotor de un aerogenerador típico de 600 kW. Con un rotor de 43 metros de diámetro cada cilindro pesa realmente 1,9 toneladas, es decir, 1.500 veces 1,25 kg.

   Densidad del aire: La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire. En otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire más energía recibirá la turbina. A presión atmosférica normal y a 15 °C el aire pesa unos 1,225 kg/m3, aunque la densidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad.

   Área de barrido del rotor: El área del rotor determina cuanta energía del viento es capaz de capturar una turbina eólica. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor, una turbina que sea dos veces más grande recibirá 22 = cuatro veces más energía.

2. Estudios de los vientos.

En la actualidad muchos países están iniciándose en el uso de la energía eólica o sus gobiernos le están prestando interés a esta forma de obtención de energía. Como primera medida deben investigar las posibilidades de instalación de máquinas en dependencia de la velocidad y constancia de los vientos que existan y donde sean más intensos.

Argentina: En Argentina por ejemplo el 53% de sus centrales produce energía primaria, derivada de combustibles fósiles. Green Peace enfatiza la necesidad de alcanzar una potencia eólica instalada de 3.000 MW en el año 2010. Esa meta cubriría el 7% de la electricidad a escala nacional. Para el desarrollo de esta se estima necesario que grandes compañías de energía se vuelquen al desarrollo eólico. Proyectos en Chubut: uno en Rada Tilly (con una potencia proyectada de 50 MW) y otro en Puerto Madryn (con una potencia proyectada de 60 MW). En la Argentina existen nueve parques eólicos que en total tienen instalado una potencia de 25.520 kW. Algunos parques instalados en este país.

• Neuquén 400 kW.
• Chubut 18.220 kW.
• Buenos Aires 5.700 kW.
• Santa Cruz 1.200 kW.

México: El Istmo de Tehuantepec en Oaxaca, México ha sido identificado como un área con alto potencial para el desarrollo de centrales eólicas. Las turbinas serán colocadas en las crestas de terrenos montañosos para aprovechar una mejor exposición al viento, y la distribución será dictada por la ubicación de dichas cadenas montañosas). Dentro de las hileras, el espaciamiento es dictado por la dirección del viento. Los vientos tienden a ser unidireccionales (provenientes de una sola dirección), requiriendo un espaciamiento de 3 x 10: tres diámetros de rotor entre turbinas y 10 diámetros de rotor entre hileras. En la región del Istmo de Tehuantepec, para un rango de turbinas seleccionadas de 660 kW a 1.5 MW, se requerirán aproximadamente 7.7 a 10.4 ha/MW (hectárea/Megawatt), y dependiendo de la turbina específica que se utilice, entre 6.6 a 15.6 hectáreas por aerogenerador.

Australia: En Australia también podemos constatar que según los estudios realizados, en su costa sur existen grandes posibilidades de aumentar el potencial eólico que ya tienen instalado, siendo las zonas costeras las de mejor incidencia del viento (velocidades mayores de 8 m/s) y más tierra dentro encontrándose lugares con velocidades entre (5 – 6 m/s). Hasta el año 2002 tenían instalado en sus costas 35 MW, en construcción 72 MW, en vías de ser aprobado 375 MW, en planes 750 MW.

Cuba: Entre el 7 y el 12 de Septiembre se efectuó un recorrido de integrantes del Grupo Eólico con especialistas independientes de España, que abarcó sitios de interés prioritario para el desarrollo a corto plazo de parques eólicos conectados a las redes del SEN, y cuyos objetivos principales fueron diagnosticar la posibilidad de seleccionar áreas específicas en las zonas visitadas para desarrollar de manera inmediata un parque eólico demostrativo con una potencia entre 5 y 15 MW; valorar la validez de las previsiones de emplazar estaciones anemométricas en las zonas visitadas para evaluar su potencial eólico; coordinar con las autoridades, empresas e instituciones territoriales, el inicio de los trabajos de construcción requeridos para emplazar las estaciones; diagnosticar las condiciones a crear en Planta Mecánica de Santa Clara para asimilar en corto plazo la producción de las torres de aerogeneradores; y debatir aspectos técnicos sobre las exigencias de calidad de las mediciones del viento, y las características tecnológicas de los aerogeneradores que se seleccionen para los primeros parques eólicos a emplazar en Cuba. Hoy día se cuenta con un parque eólico demostrativo, con 2 máquinas. Actualmente están generando.

1. Parques Eólicos

En este acápite se expondrá de forma breve los parques eólicos que más se conocen, dado que son generalmente los primeros en su tipo (off shore). Por otra parte la forma más eficiente de instalar grandes potencias de generación es creando este tipo de granjas de máquinas que en conjunto pueden llegar hasta los 350 MW de generación mensual o más según lo que este instalado.

Reino Unido: En abril de 2001, el gobierno aprobó 18 emplazamientos para la primera etapa de desarrollo de parques eólicos marinos. El segundo en su tipo North Hoyle, se encuentra a 8 kilómetros de la costa del norte de Gales, entre las ciudades costeras de Prestatyn y Rhyl. Los 30 aerogeneradores V80-2,0 MW de Vestas que componen el parque están dispuestos en seis filas de cinco, a unos 12 metros de profundidad, y cada uno de ellos se apoya en un monopilote tubular de acero de 4 metros de diámetro. El proyecto fue entregado en Julio del 2004. Actualmente esta generando.

Ubicación: Costa de Gales Propietarios: N. Power Renewables Ltd.

Modelo de aerogenerador: V80-2,0 MW

Altura del buje: 70 metros sobre la marea astronómica más baja (LAT)

Número de aerogeneradores: 30

Capacidad total: 60 MW SCADA: VestasOnline™

Servicio: 5 años

Dinamarca: Desde abril del 2002, Vestas trabajo en el puerto de Esbjerg y hacia el Arrecife de los Cuernos (Horns Reef), en la construcción del primer parque eólico off shore. En 2003, estaban corriéndose varias pruebas finales en la granja eólica, seguidamente las turbinas eólicas proporcionarán la electricidad suficiente para cubrir el consumo de alrededor de 150,000 casas dinamarquesas.

Suiza: La colocación de una turbina a 2,332 metros sobre el nivel del mar en el sistema montañoso Suizo Gütsch que pasa por alto la ciudad pequeña de Andermatt. ENERCON ha realizado la mayor quimera del mundo. EWU rápidamente negoció con ENERCON para instalar un E – 40 de 600 kW sin multiplicador clase 1 con vientos medios de 7 m/s, Para el uso más eficaz de los vientos en el Gütsch, EWU está planeando instalar la versión superior de la ya instalada la turbina E – 70 de 2 MW.

España

El parque Eólico Los Pedreros construido por la empresa Ecotècnia, instalado en Fuente Álamo (Albacete). El emplazamiento cuenta con 30 aerogeneradores de 1.670 kilovatios (kW) que producirán 123.176 megawatts/hora (MWh) al año. El parque tiene una potencia total de 50 MW. El complejo, dotado de 30 aerogeneradores de 74 metros de diámetro, estará conectado con la subestación de Pinilla. El parque está situado a una altura de más de 800 metros en la zona que comprende la Sierra de los Ladrones, Los Pedreros y Morrón de la Fuente.

Cuba

Cuba cuenta actualmente con un parque eólico demostrativo ubicado en la Isla de Turiguano. Cuenta con 2 máquinas Ecotècnia 28 – 225, tripala con una altura del buje de 32.5 m, generando diariamente de 1 – 2 MW/h. En los estudios de prospección realizados en la zona la velocidad promedio anual de los vientos fue de 6 m/s siendo una de las zonas de más aprovechamiento de los vientos. Son turbinas clase I (para vientos de 250 km/h), activo a barlovento. Presentan multiplicador de velocidad de 4 ejes paralelos y diente recto con generador asincrónico con doble devanado 90 kW y 225 kW.

Las velocidades de diseño de la turbina son:

• Velocidad de arranque es de 3.8 m/s (14 km/h)
• Velocidad nominal es de 14 m/s (50km/h)
• Velocidad de corte o parada es de 25 m/s (90 km/h)

Es una turbina de velocidad fija y paso de pala fija con limitación de potencia por pérdida aerodinámica o stall. Cuenta con control automático (memoria EPROM) con monitoreo a distancia vía MODEM telefónica.

Por la parte de generación, anualmente debe generar 998 MWh/año. En el periodo que comprende desde el 16 de abril de 1999 hasta el 25 de mayo del 2006 ha sido de 2000 MWh/año. Disponibilidad promedio mensual de 64.3%. Factor de capacidad promedio mensual de 10.3 % (aproximadamente 480 Ton petróleo.)

Conectada al sistema eléctrico nacional (SEN) a través de un transformador de 1025 KVA

Fig.1 Esquema de Conexión del parque de Turiguano

1. Ventajas y Desventajas

El gran beneficio medioambiental que reporta el aprovechamiento del viento para la generación de energía eléctrica viene dado, en primer lugar, por los niveles de emisiones gaseosas evitados, en comparación con los producidos en centrales térmicas. Esto afecta tanto a elementos contaminantes como dióxidos de azufre, partículas, etc., como a la emisión de CO2 (Dióxido de Carbono), que en este caso es inexistente, con lo que contribuye a la estabilidad climática del planeta.

Ventajas Sociales

1. De todas las fuentes de generación de energía eléctrica, la eólica es la que genera más puestos de trabajo por unidad energética producida.
2. El fomento de la energía eólica produce un efecto sobre la industria de bienes de equipo que debe responder de manera indirecta en los sectores económicos.
3. El despliegue de las fuentes de energía renovables puede ser una característica clave del desarrollo regional con el objetivo de lograr mayor cohesión social y económico
4. La instalación de parques eólicos mejora la garantía de abastecimiento y la infraestructura eléctrica de la zona donde se implantan.
5. Los parques eólicos constituyen en la actualidad un signo de sensibilidad medioambiental y suponen una evidente acción de educación ambiental hacia el consumidor.

Inconvenientes de la energía eólica

Alteraciones paisajísticas:

• Son preferidas las turbinas de torre tubular, rotor de tres palas y pinturas no llamativas. Asimismo es conveniente que la potencia de cada aerogenerador sea elevada, para disminuir así su número. Los parques eólicos se han de colocar lejos de las ciudades, fuera de espacios de gran belleza o de contenido cultural y seleccionando sus emplazamientos mediante estudios rigurosos de alternativas entre aquellos espacios que hagan rentable la instalación de un parque. Son preferibles los emplazamientos en espacios humanizados por cultivos o pastos, así como las tierras estériles.
• Dependiendo de lo poblado que sea un territorio, puede variar sensiblemente la pérdida de potencial eólico aprovechable de aplicar restricciones a la ubicación de turbinas eólicas.
• La energía eólica conlleva una fuerte carga de sensibilización medioambiental, al evidenciar ante el ciudadano la relación existente entre su consumo de energía y la necesidad de producirla por medios que no dañen gravemente el equilibrio ecológico.

De lo anteriormente expuesto se deduce que la limitación en lo posible del impacto paisajístico de la energía eólica pasa por elegir cuidadosamente los emplazamientos y por cuidar extremadamente la realización de las infraestructuras.

Efectos sobre la avifauna:

La colisión de estas con las palas de las máquinas al no percatarse en el vuelo, incidiendo esto en un aumento de la mortalidad de ciertas especies que tienen su canal migratorio en estas zonas. Podemos incluir también la afección a la nidificación. Pérdida directa del hábitat, molestias durante la cría y molestias en los primeros vuelos de jóvenes, así como alteración de las rutas migratorias.

Emisión de ruidos

Las turbinas eólicas modernas son bastante silenciosas y lo serán más en el futuro. Cuando se planifica una granja eólica, se debe prestar especial cuidado cualquier sonido que pueda ser escuchado desde el exterior de las casas vecinas. El nivel de intensidad máximo que soporta el oído humano es de 120 dB. El límite legal, en algunos países de Europa, para las instalaciones es de 40 dB. Por esta razón, el siguiente esquema representa el área donde debe instalarse un generador para que cumpla con la condición antes mencionada.

D > 55 dB.

3D ® 45 dB.

6D ® 40 dB.

10 D ® 30 dB

Fig.2. Niveles de dB según la distancia a la que esta la máquina

1. Análisis Estadístico de los Vientos

La ubicación de un parque eólico no es poner una veleta en un lugar y si simplemente sopla el viento con una velocidad apreciable entonces será el lugar de la instalación, no, esto es un trabajo mucho más complejo el cual lleva un estudio estadístico de mediciones. Dichas mediciones se realizan con anemómetros instalados en torres de 10 o 50 metros según se posea en tecnología o se desee.

Datos del viento existentes en Cuba

• Mapa eólico nacional
• Mapa eólico elaborado por NREL
• Red de mediciones del INSMET
• Resúmenes por estaciones meteorológicas del INSMET
• Mediciones de corto plazo realizadas por el CETER, INEL e INSMET en el 91-92 en cinco sitios
• Mediciones a corto plazo realizadas por Ecosol. Solar del 93 al 96.

¿Qué hacer si no hay medidas de vientos?

Velocidad media

• Buscar datos de viento del INSMET de la estación más cercana
• Teniendo en cuenta la altura de medición de la estación de referencia, su altura sobre el nivel del mar, el tipo de terreno circundante y estas mismas características en nuestro emplazamiento, se puede establecer una correlación del viento en nuestra zona

La velocidad del viento está siempre fluctuando, por lo que el contenido energético del viento varía continuamente. De qué magnitud sea exactamente esa fluctuación depende tanto de las condiciones climáticas como de las condiciones de superficie locales y de los obstáculos. La producción de energía de una turbina eólica variará conforme varíe el viento, aunque las variaciones más rápidas serán hasta cierto punto compensadas por la inercia del rotor de la turbina eólica. En la mayoría localizaciones del planeta el viento sopla más fuerte durante el día que durante la noche. El Gráfico 1 muestra, en intervalos de 3 horas, como varía la velocidad del viento a lo largo del día. En Cuba los mayores valores de velocidad del viento se registran entre las 10am y la 1pm.

Grafico 1 Variación de la velocidad del viento a lo largo del día en un sitio dado.

Uno de los resultados más importantes que se puede obtener tanto de las mediciones en estaciones meteorológicas como en estaciones anemométricas móviles, es la distribución de frecuencias de la velocidad del viento, necesaria para obtener las disponibilidades de energía de los sistemas de aprovechamiento de energía eólica.

Tabla 2. Probabilidad de que ocurra una velocidad del viento.

La Tabla anterior representa la frecuencia o probabilidades estadísticas de que ocurra una determinada velocidad v, perteneciente a un intervalo de la primera columna. En la tercera columna se presenta el número de horas que sopla el viento con velocidades en el intervalo correspondiente. Estos valores se obtienen multiplicando el valor absoluto de la frecuencia por las 8760 horas que tiene un año. Con estos valores se construye un gráfico de frecuencia de la velocidad conocido como histograma:

Grafico 2. Histograma de las velocidades del viento

Distribución de probabilidades del viento.

Las expresiones analíticas más usadas para representar la distribución de probabilidades de velocidades del viento p (v), por su similitud con las distribuciones reales (histograma de mediciones), son la distribución de Weibull y la distribución de Rayleigh. La expresión analítica que ha sido más empleada para representar las probabilidades del viento es la distribución de Weibull (función de densidad de probabilidad), cuya forma general es:

Ec. 1

k – factor de forma (adimensional).

c – factor de escala. (m/s).

Ambos parámetros son función de la velocidad media

Ecuación 1. Función de la probabilidad de Weibull

Grafico 3. Histograma variación en la velocidad del viento en función de K.

Ejemplos de p (v), para varios valores de k y una misma velocidad media de 8 m/s. Se pude apreciar como a medida que el valor de k aumenta el pico de la curva se hace más agudo, indicando que hay más variación en la velocidad del viento.

Función de distribución acumulativa de Weibull

Ec. 2

k – factor de forma (adimensional).

c – factor de escala. (m/s).

Ecuación 2. Función de la probabilidad de la velocidad del viento en un momento dado

Este parámetro estadístico representa la fracción de tiempo o probabilidad de que la velocidad del viento sea menor o igual que una velocidad del viento dada v.

Distribución de Rayleigh

Esta es distribución de probabilidad más simple de representar el potencial eólico, ya que solo requiere de la velocidad media. La distribución de Rayleigh es un caso particular de Weibull con k = 2 y c se calcula según:

Ec. 3

: Velocidad media promedio

: Velocidad media

P (v): Probabilidad de que ocurra una velocidad dada.

Ecuación 3. Función de la distribución Rayleigh para k = 2 calculando el valor de C.

El valor k a menudo ofrece dificultades para su determinación. En ausencia de este dato un valor de k = 2 es recomendable debido a que los valores de k frecuentemente se encuentran en un intervalo cercano a 2.

Grafico 4. Distribución Rayleigh para K = 2.

El gráfico muestra una distribución de probabilidad para k=2 (distribución de Rayleigh). El área bajo la curva siempre vale exactamente 1, ya que la probabilidad de que el viento sople a cualquiera de las velocidades, incluyendo el cero, debe ser del 100 %.

Nótese que la distribución de Rayleigh necesita de un sólo parámetro que es la velocidad media del viento, que como se dijo anteriormente es el dato por lo general más asequible. En la Tabla se presenta esta distribución para determinados valores de la velocidad media anual del viento:

Tabla 3. Probabilidad de ocurrencia para velocidades medias anuales en m/s.

Grafico 5. Distribución Rayleigh para K = 2

Como se muestra, un mayor valor de velocidad media da una mayor probabilidad de altas velocidades. La obtención de un resultado final después de analizar estos datos da la medida de la caracterización de los recursos eólicos en el lugar del emplazamiento, el cual interviene de forma muy importante en varias áreas de trabajo relacionadas con los sistemas de aprovechamiento de la energía eólica:

• En la selección del emplazamiento más favorable para la instalación de los sistemas eólicos
• En la estimación de su producción energética y de su funcionamiento global del sistema eólico en lugares específicos.
• En su diseño
• En su operación y regulación del sistema eólico.

Por otra parte todo este análisis también ayuda a la selección de la máquina que se va a instalar y de su rendimiento energético, dado que si las especificaciones de la máquina adquirida (valor de k, generalmente 1.25 – 2, velocidades de viento a las que produce la potencia nominal, etc.) no concuerda con las características del terreno entonces estaremos haciendo una inversión muy costosa sin recuperación en corto plazo.

2. CapÍtulo 2. Máquinas para el aprovechamiento de la energía del viento.

1. Tipos de aerogeneradores. Partes componentes.

El aprovechamiento de la energía eólica se realiza mediante el empleo de aeroturbinas, que pueden ser de muy diversos tamaños y potencias, instalándose individualmente o como colectivo, recibiendo en este ultimo caso la denominación de Parque Eólico. Por otra parte, la energía obtenida dependerá tanto del potencial de viento en el sitio de emplazamiento como del tipo de máquina (figura 3) y de la aplicación concreta que se pretende realizar con la instalación.

.

Fig.3 Tipos de Aeroturbinas

Las modernas turbinas de viento se mueven por dos procedimientos: el arrastre, en el que el viento empuja las aspas, y la sustentación, en el que las aspas se mueven de un modo parecido a las alas de un avión a través de una corriente de aire. Las turbinas que funcionan por sustentación giran a más velocidad y son, por su diseño, más eficaces. Las turbinas de viento pueden clasificarse en turbinas de eje horizontal, en las que los ejes principales están paralelos al suelo y turbinas de eje vertical, con los ejes perpendiculares al suelo.

Aerogeneradores de eje vertical.

Estos aerogeneradores cuentan con algunas ventajas de tipo estructural, respecto a los de eje horizontal, debido a la sujeción de las palas. Por otra parte la no necesidad de orientación, por la simetría de las palas, permite aprovechar vientos de cualquier dirección, así como instalar el generador en tierra con una menor complejidad a la hora de efectuar labores de mantenimiento.

Existe una gran variedad de modelos verticales, algunos muy antiguos, apareciendo casi todos los años nuevas patentes interesantes. Los modelos más utilizados son el Savonius y el Darrius que permite el aprovechamiento de las altas velocidades del viento dentro de una banda muy amplias su mecanismo de control es por perdida aerodinámico

Fig. 4. Aerogenerador de eje vertical tipo Darrius

Las grandes desventajas de estos tipos de aerogeneradores, respecto a los de eje horizontal, son las siguientes:

1. Necesitan un motor impulsor primaria, ya que los perfiles aerodinámicos y la simetría de las palas no permiten el autoarranque.
2. Se ha probado en algunos casos que a igual potencia instalada, entre un modelo de eje vertical y otro de eje horizontal, el primero genera aproximadamente la mitad de la energía eléctrica. Esta ha sido una de las principales razones por las que normalmente el mercado eólico ha demandado menos máquinas de este tipo.

Aerogeneradores de eje horizontal

Los aerogeneradores horizontales representan más del 95% de los instalados en el mundo, estos requieren de sistemas de orientación. Conviene señalar que existen dos tipos de aeroturbinas, según la velocidad de giro de sus rotores: las aeroturbinas lentas y las rápidas. Estas últimas reciben propiamente la denominación de Aerogeneradores. Las aeroturbinas lentas, son conocidas como Multipalas, son menos complejas, pesadas y costosas tienen una eficiencia del 25-35%, sus palas son de metal, su gran aplicación es para el bombeo de agua (aerobombas).

Un aerogenerador de eje horizontal consiste básicamente en una máquina rotacional, cuyo movimiento es producido por la energía cinética del viento al actuar este sobre un rotor dotado, normalmente, de tres palas con perfiles de avanzado diseño aerodinámico, el movimiento rotacional producido es trasmitido y multiplicado a través de un multiplicador de velocidad, hasta un generador que produce la energía eléctrica. Los componentes citados están instalados sobre una góndola, o bastidor, que va situado en lo alto de la torre o fuste.

Fig. 5. Aerogenerador de eje horizontal.

Partes componentes de una Turbina Eólica

• La góndola

Contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador eléctrico. A la izquierda de la góndola tenemos el rotor del aerogenerador, es decir las palas y el buje.

• Las palas del rotor

Capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. Son construidas de materiales livianos y altamente resistentes.

• El buje

El buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador. En la mayoría de los aerogeneradores modernos de estilo danés con multiplicador, está instalado al eje de baja de la etapa planetaria

• El eje de baja velocidad

Conecta el buje del rotor al multiplicador. Generalmente el rotor gira muy lento, a unas 19 a 30 r.p.m. Este contiene conductos del sistema hidráulico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámicos.

• El multiplicador

Sistema complejo de engranajes, sistemas hidráulicos, de enfriamiento etc. Tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que está a su derecha gire 50 veces más rápido que el eje de baja velocidad.

• El eje de alta velocidad

Gira aproximadamente a 1.500 r.p.m. lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina, también en caso de paradas de emergencia si fueran necesarias

• El generador eléctrico

Suele ser un generador asíncrono o de inducción. En los aerogeneradores modernos la potencia máxima suele estar entre 500 y 3500 kW. También se usan en las máquinas sin multiplicador generadores sincrónicos o asincrónicos de imán permanente, estos son de gran tamaño lo cual permite aprovechar las velocidades bajas de los vientos (Enercon es un fabricante por excelencia de estos generadores).

• El controlador electrónico

Es un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier disfunción (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador o en el generador), automáticamente para el aerogenerador.

• La unidad de refrigeración

Contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador eléctrico. Además contiene una unidad refrigerante por aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores refrigerados por agua.

• La torre

Soporta la góndola y el rotor. Generalmente es una ventaja disponer de una torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos del nivel del suelo. Estas pueden ser torres tubulares o torres de celosía. Las torres tubulares son más seguras para el personal de mantenimiento. La principal ventaja de las torres de celosía es que son más baratas.

• El mecanismo de orientación

Está activado por el controlador electrónico, que vigila la dirección del viento utilizando la veleta. Normalmente, la turbina sólo se orientará unos pocos grados cada vez, cuando el viento cambia de dirección.

• El anemómetro y la veleta

Las señales electrónicas del anemómetro son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para conectarlo cuando el viento alcanza aproximadamente 5 m/s. El ordenador parará el aerogenerador automáticamente si la velocidad del viento excede de 25 m/s, con el fin de proteger a la turbina y sus alrededores. Las señales de la veleta son utilizadas por el controlador electrónico para girar el aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de orientación.

1. Fabricantes y tecnologías puestas en el mercado.

El desarrollo de la industria Eólica ha avanzado a pasos agigantados desde que surgió la primera máquina moderna. Muchas industrias han visualizado el potencial que tiene la producción de dispositivos para las turbinas eólicas, desde las palas hasta las torres de acero, celosía o de concreto (investigando acerca de nuevas tecnologías para su fundición).

• ABB

ABB ha estado diseñando y fabricando generadores para turbinas eólicas por mas de 20 años. Todos los tipos de generadores están diseñados especialmente para aplicaciones en turbinas eólicas. El funcionamiento eléctrico de un generador individual es optimizado en cooperación con los fabricantes de turbinas. El aislamiento del generador e impregnación están diseñados para resistir elevados factores de estrés ambiental. El sistema de aislamiento Clase F de ABB, usa la misma tecnología de asilamiento contra altos voltajes que los Generadores HV, asegurando un periodo de vida largo y provee una elevada capacidad para sobrecargas momentáneas.

ABB suministra generadores para sistemas regulados por perdida (stall) y control de paso, con un rango de salida desde 55 kW hasta 4MW y más.

• Generadores de velocidad variable

El concepto tradicional de regulación por pérdida con el generador acoplado directamente a la red.

• Sencillo y de 2 velocidades
• Enfriamiento por aire y agua
• Carcasa de acero y hierro fundido.
• Tecnología de bobinado
• Fabricado según especificaciones del cliente

• Doble alimentación, generador de velocidad semi – variable.

La línea principal del concepto de regulación de paso con el rotor conectado a la red usando un convertidor pequeño

• Vía económica para obtener velocidad variable y suministrar energía reactiva, y aumenta la producción de energía a bajas velocidades del viento.´
• Reducida carga de torque en el tren principal hace que toda la construcción mecánica sea simple y garantice una elevada confiabilidad.

• Generadores de Imán Permanente

Generadores modernos de imán permanente no necesitan separar el sistema de excitación. Ellos pueden no poseer multiplicador de velocidad y son completamente controlables con velocidad variable y suministra energía reactiva. Proveen al usuario final una energía de elevada calidad y eficiencia. ABB ofrece tres conceptos diferentes de generadores de imán permanente.

• Sistemas robustos de baja velocidad sin multiplicador: En una aplicación sin multiplicador el generador y la turbina están integrados para formar una unidad estructuralmente unida. El diseño da libre acceso a todas sus partes para un fácil mantenimiento e instalación. El diseño sencillo y robusto del rotor de baja velocidad, unido con el sistema de excitación o enfriamiento da como resultado un bajo nivel de desgaste, reducidos requerimientos de mantenimiento, y una larga vida.
• • Alta eficiencia
  • Robusto y censillo
  • Menor demanda de mantenimiento
  • Máxima confiabilidad.

• Unidades compactas y económicas de velocidad media.

Este es un sistema de baja velocidad con el rodamiento principal y el generador de imán permanente integrado a un multiplicador de una sola etapa dando una alta eficiencia con pocas necesidades de mantenimiento. Esto destaca el mismo diseño de rotor de baja velocidad sencillo y robusto con sistema de excitación y enfriamiento unido.

• Pequeñas unidades de potencia, alta velocidad.

El sistema es mecánicamente similar al de doble alimentación incluso con menores requerimientos de espacio. Extremadamente potente con un pequeño tamaño. Rango de velocidad típico es 1000 a 2000 r.p.m usan 6 a 8 polos.

Sus características son:

• Tamaño de la armazón: 500 mm
• Velocidad nominal: 1500 r.p.m
• Rango típico de velocidad: 25 – 125 %
• Eficiencia: > 98 %
• Rango de potencia: sobre los 3600 kW

Pocas perdidas en el rotor con el generador de IP significan que el rotor puede ser mantenido a bajas temperaturas, lo cual a cambio reduce la temperatura del rodamiento.

Fuente: Catálogo de la ABB

• Rexroth Bosch Group

Innovadoras Cajas de velocidad para Turbinas Eólicas Rexroth suministra todos los tipos de cajas de velocidad usados en turbinas eólicas, para generador, control de posición y control de paso. Según los fabricantes para la optimización del ruido los engranajes son diseñados en base a las curvas de funcionamiento específico de las plantas. En los mayores mercados de la Energía Eólica, tales como Alemania, USA, Dinamarca y España e Italia, mantienen centro de servicios locales, donde se pueden obtener repuestos de la misma calidad y producción que las originales. Su servicio incluye además actualización de los dispositivos instalados según las necesidades particulares de los propietarios.

Multiplicadores para generadores.

Los multiplicadores para generadores sirven para aumentar la velocidad del rotor a la velocidad racional requerida para que el generador produzca electricidad. Hasta hoy ha suministrado más de 5000 multiplicadores para generadores a los 5 grandes productores de turbinas. Muchos de esos multiplicadores se componen de etapas planetarias y helicoidales, designados para proporcionar una relación de transmisión óptima.

Tipos de multiplicadores suministrados.

Tabla 4. Multiplicadores suministrados por Rexroth Bosch Group

* Suministrado en 1993 por Turbinas Eólicas AEOLUS

Características técnicas

Los ejes y los engranajes planetarios están montados exclusivamente en rodamientos antifricción de alta calidad de fabricantes reconocidos. El engranaje helicoidal del sol es endurecido y cementado, el aro del engranaje es cementado y nitrogenado. Engranajes y rodamientos son abastecidos de aceite por un sistema circular de lubricación. La mayoría de los componentes del sistema de lubricación por ejemplo: las tuberías, están alojadas dentro de la carcasa de la caja. Los sistemas están sensorizados.

Reductores para cambio de posición.

El dispositivo de cambio de paso MOBIFLEX GFB esta equipado con cuatro etapas planetarias, las cuales juntas provee de una alta relación de transmisión. Esto permite a la góndola ser alineada con mucha exactitud. Sin embargo el elevado peso necesita de altos torques, por lo que se ubican varias unidades alrededor del aro dentado de la base. De esta manera de 2 a 8 unidades reductoras pueden operar en una góndola simultáneamente.

Tipos de reductores de cambio de posición suministrados.

Tabla 5. Reductores de cambio de posición suministrados por Rexroth Bosch Group

Reductores para cambio de paso.

Sus reductores reúnen la condición de ser pequeños por el poco espacio de instalación de estos en la base de las palas. En dependencia del espacio, el problema del dispositivo puede ser resuelto a través del uso de engranajes oblicuos en las etapas. Los reductores de control de paso giran constantemente con el rotor por tanto necesitan requerimientos particulares en términos de sellado y lubricación.

Tipos de reductores de cambio de paso suministrados.

Tabla 6. Reductores de cambio de paso suministrados por Rexroth Bosch Group

* Tomado de Bosch Rexroth AG. de Agosto del 2003

Fuente: Catálogo de Bosch Rexroth.

• Enercon.

La firma Enercon pone en el mercado una gama de aerogeneradores sin multiplicador como son:

Características Técnicas

E 70 2000 kW

• Potencia 2000 kW
• Diámetro del Rotor 71 m
• Altura del Buje 64 -113 m (Varias torres y bases)
• Turbina Sin engranajes, velocidad variable, control de paso variable.
• Rotor En dirección el viento con control de paso activo.

Dirección de rotación A favor de las manecillas del reloj.

Numero de palas 3

Área de barrido 3952 m2

Material de las palas Fibra de vidrio (resina epóxica) con protección contra rayos integrada.

Velocidad de Rotación Variable, 6 – 21.5 r.p.m

Velocidad de punta de pala 22 – 80 m/s

Control de paso Sistema de control de paso ENERCON.

• Tren de fuerza con generador

Buje Rígido

Rodamiento principal Rodamiento cilíndrico de doble fila/ una fila.

Generador Sincrónico anular.

• Alimentación de red Convertidor Enercon
• Sistema de frenado

Freno del rotor Bloqueado del rotor 3 sistemas independientes de control de paso con alimentación de emergencia.

• Velocidad de arranque 2.5 m/s
• Velocidad promedio 13.5 m/s
• Velocidad de parada 28 – 34 m/s
• Monitoreado remoto ENERCON SCADA.

Para curva de potencia ver Catálogo de firma Enercon

E 48 800 kW

• Potencia 800 kW
• Diámetro del Rotor 48 m
• Altura del Buje 50 – 76 m (Torres de acero tubular y varias bases)
• Turbina Sin engranajes, velocidad variable, control de paso variable.
• Rotor En dirección el viento con control de paso activo.

Dirección de rotación A favor de las manecillas del reloj.

Numero de palas 3

Área de barrido 1810 m2

Material de las palas Fibra de vidrio (resina epóxica) con protección contra rayos integrada.

Velocidad de Rotación Variable, 16 – 32 rpm.

Velocidad de punta de pala 22 – 80 m/s

Control de paso Sistema independiente de control de paso.

• Tren de fuerza con generador

Buje Rígido

Rodamiento principal Rodamiento cilíndrico de una sola fila.

Generador Sincrónico anular sin engranajes.

• Alimentación de red Convertidor Enercon

Sistema de frenado Similar al anterior

• Velocidad de arranque 3.0 m/s
• Velocidad promedio 13 m/s
• Velocidad de parada 28 – 34 m/s
• Monitoreado remoto ENERCON SCADA.

Para curva de potencia ver Catálogo de firma Enercon

E 33 330 kW

• Potencia 330 kW
• Diámetro del Rotor 33.4 m
• Altura del Buje 49 + 50 m (Torres de acero tubular y varias bases)
• Turbina Sin engranajes, velocidad variable, control de paso variable.
• Rotor En dirección el viento con control de paso activo.

Dirección de rotación A favor de las manecillas del reloj.

Numero de palas 3

Área de barrido 876 m2

Material de las palas Fibra de vidrio (resina epóxica) con protección contra rayos integrada.

Velocidad de Rotación Variable, 16 – 32 r.p.m

Velocidad de punta de pala 31 – 79 m/s

Control de paso Sistema independiente de control de paso.

• Tren de fuerza con generador

Buje Rígido

Rodamiento principal Rodamiento cilíndrico de una sola fila.

Generador Sincrónico anular sin engranajes.

• Alimentación de red Convertidor Enercon

Sistema de frenado Similar al anterior

• Velocidad de arranque 2.5 m/s
• Velocidad promedio 12 m/s
• Velocidad de parada 28 – 34 m/s
• Monitoreado remoto ENERCON SCADA.

Para curva de potencia ver Catálogo de firma Enercon

E 82 2000 kW

• Potencia 2000 kW
• Diámetro del Rotor 80 m
• Altura del Buje 78 m, 98m, 108 m

Prototipo Autumn 2005

Producción en serie En el último trimestre del 2006

• Turbina Sin engranajes, velocidad variable, control de paso variable.
• Rotor En dirección el viento con control de paso activo.

Dirección de rotación A favor de las manecillas del reloj.

Numero de palas 3

Área de barrido 5281 m2

Material de las palas Fibra de vidrio (resina epóxica) con protección contra rayos integrada.

Velocidad de Rotación Variable, 6 – 19.5 rpm.

Velocidad de punta de pala 25 – 80 m/s

Control de paso Sistema de control de paso ENERCON.

• Tren de fuerza con generador

Buje Rígido

Rodamiento principal Rodamiento cilíndrico de doble fila/ una fila.

Generador Sincrónico anular con conexión directa.

• Alimentación de red Convertidor Enercon
• Sistema de frenado Freno del rotor

Bloqueado del rotor

3 sistemas independientes de control de paso con alimentación de emergencia.

• Velocidad de arranque 2.5 m/s
• Velocidad promedio 12.0 m/s
• Velocidad de parada 22 – 28 m/s
• Monitoreado remoto ENERCON SCADA.

Para curva de potencia ver Catálogo de firma Enercon

E 112 4500 kW

• Potencia 4500 kW
• Diámetro del Rotor 114 m
• Altura del Buje 124 m (torre de concreto)
• Turbina Sin engranajes, velocidad variable, control de paso variable.
• Rotor En dirección el viento con control de paso activo.

Dirección de rotación A favor de las manecillas del reloj.

Numero de palas 3

Área de barrido 10207 m2

Material de las palas Fibra de vidrio (resina epóxica) con protección contra rayos integrada.

Velocidad de Rotación Variable, 6 – 19.5 rpm.

Velocidad de punta de pala 25 – 80 m/s

Control de paso Sistema de control de paso ENERCON.

• Tren de fuerza con generador

Buje Rígido

Rodamiento principal Rodamiento cilíndrico de doble fila/ una fila.

Generador Sincrónico anular con conexión directa.

• Alimentación de red Convertidor Enercon
• Sistema de frenado

Freno del rotor Bloqueado del rotor 3 sistemas independientes de control de paso con alimentación de emergencia.

• Velocidad de arranque 2.5 m/s
• Velocidad de parada 28 – 34 m/s
• Monitoreado remoto ENERCON SCADA.

Para curva de potencia ver Catálogo de firma Enercon

Fuente: Catálogo de firma Enercon.

• Gamesa Eólica

La máquina G52 – 850 kW tiene muy buenas prestaciones en todos los terrenos y vientos, de paso variable para dominar vientos variables, velocidad variable con mejor calidad energética, diseño de pala de última tecnología.

• Rotor

Diámetro 52 m

Área de barrido 2124 m2

Velocidad de giro Variable 14.6 – 30.8 rpm

Sentido del giro Agujas del reloj (vista frontal)

Peso (incluido buje) 10 000 kg

Peso góndola 23 000 kg.

• Palas

Numero de palas 3

Longitud 25.3 m

Perfil NACA 63.XXX + FFA – W3

Material Fibra de vidrio preimpregnada de resina epoxy.

Peso pala completa 1900 kg.

• Multiplicador G52 – 580kW

Tipo 1 etapa planetaria/ 2 etapas helicoidales

Relación de transmisión 1: 61.74

Refrigeración Bomba de aceite con radiador de aceite.

Calentamiento aceite 1.5 kW.

• Torre tubular 2 secc. 44m, 40 000 kg

2/3secc. 55m, 57 000 kg

3 secc. 65 m, 73 000 kg

3 secc. 74 m, 90 000 kg

4 secc. 86 m, 112 000 kg

• Generador

Tipo Doblemente alimentado

Potencia nominal 850 kW

Tensión 690 V AC.

Frecuencia 50 Hz

Clase de protección IP 54

Numero de polos 4

Velocidad de giro 900: 1.900rpm (nominal 1620 rpm)

Intensidad nominal (Estator) 670 A @ 690 V

Factor de potencia 1.0

Rango de factor de potencia 0.95 CAP – 0.95 IND (opción)

• Protección contra rayos Protección completa contra rayos siguiendo la normativa IEC 1024 – 1
• Freno Freno primario aerodinámico, freno mecánico de disco hidráulicamente activado colocado a la salida del eje rápido del multiplicador.

Para curva de potencia ver Catálogo de firma Gamesa Eólica

Fuente: Catálogo de Gamesa Eólica.

• MWT (Japón)