Estudio de Aerogeneradores de pequeña potencia

1. Resumen
3. Breve historia de los aerogeneradores
4. Descripción de la fuente de energía utilizada (El viento)
5. Clasificación de las diferentes configuraciones de los aerogenerador
6. Selección del número de palas
7. Aerogeneradores de caja reductora y de imanes permanentes (P.M.G.)
8. Tipos de P.M.G.
9. Selección de la configuración del aerogenerador
10. Número de palas en el rotor
11. Sistema de transmisión y tipo de configuración del aerogenerador
12. Sistemas de Regulación – Orientación ( Selección del Adecuado)
13. Regulación por momento de inercia en la cola
14. Criterios para el diseño del sistema de regulación por momento de inercia
15. Bibliografía

Resumen.

Debido a la importancia que tiene en estos momentos el aprovechamiento de las fuentes renovables de energía en el mundo, cada vez más eficiente, es que se acomete el siguiente trabajo, donde se propone a partir de un estudio realizado la configuración de un aerogeneradores de pequeña potencia, para ser construidos en talleres de pocos requerimientos técnicos.

En este trabajo se realiza una revisión bibliográfica con el objetivo de conocer entre las configuraciones de aerogeneradores existentes, las mejores variantes en cuanto a fiabilidad, ventajas económicas y sociales.

Introducción.

Actualmente las reservas energéticas constituyen preocupaciones para la humanidad, tanto desde el punto de vista de sus cantidades como desde el punto de vista nocivo para su supervivencia y de otras especies que ya comenzaron a sufrir en gran medida los efectos del medio en ese sentido. Así la humanidad ha visto cómo cada día se incrementan las especies que tienden a desaparecer; finalmente el hombre se ha visto en la obligación de tomar medidas para su protección.

En los últimos años las campañas por la toma de conciencia de que, el hombre será la próxima especie en tender a extinguirse, han aumentado y se han creado organizaciones internacionales encargadas de velar por el cumplimiento y control de algunos lineamientos, a fin de disminuir los daños provocados por el uso indiscriminado de las reservas y fuentes de energía. Dándose pasos para buscar fuentes alternativas y menos dañinas a la salud y existencia de la humanidad.

Indudablemente lo que impulsa la evolución tecnológica es la disponibilidad de energía, cuyo precio de distribución y consumo estableció y establece una selección de usuarios potenciales.

Resulta un hecho comprobado que incluso en los países más pobres el consumo de energía se ha incrementado. Al analizar este crecimiento y la forma en que se ha producido, se aprecia el ascenso más pronunciado en los países desarrollados, siendo este fenómeno una consecuencia del propio proceso de desarrollo. Este incremento en el consumo esta basado en la generación a partir de combustibles fósiles y energía nuclear los que presentan dos grandes limitaciones:

1. Representan un recurso limitado en el planeta, lo que significa que su consumo afectará a las futuras generaciones.

1. Su combustión genera gran cantidad de gases contaminantes o desechos sólidos altamente peligrosos, los cuales se han ido acumulando en diferentes lugares del planeta con el decursar de los años.

Los científicos han encontrado una solución al problema de cómo generar la energía necesaria para la sustentación del planeta que consiste en el uso de fuentes inagotables de energía a las cuales se les ha llamado Fuentes Renovables de Energía. Entre las que pueden citarse:

1. Hidráulica.

1. Biomasa.

1. Residuales sólidos.

1. Eólica.

1. Solar Fotovoltaica y Térmica.

1. Geotérmica

1. Otras fuentes poco aplicadas por su complejidad tecnológica (Hidrógeno como combustible, Energía de las mareas). [16]

Se aborda en este trabajo la energía eólica, por el interés que posee actualmente como fuente energética en Cuba para la generación de electricidad, vía muy poco utilizada hasta el momento.

La situación energética en Cuba invita a reflexionar sobre la necesidad del aprovechamiento de las fuetes renovables de energía. En 1996 alrededor del 60 % de la energía primaria usada en nuestro país era generada a partir de petróleo, así como el 90 % de la generación eléctrica era quemando este tipo de combustible. Debido a la reducción de la cantidad de petróleo para la producción de energía, se impone entonces el aprovechamiento de los recursos renovables con que cuenta el país.

Por ello la energía eólica se puede imponer como una fuente alternativa en el desarrollo y constituye un tema de especial interés.

La energía eólica: Como su nombre indica se basa en el uso de la energía de los vientos, la cual constituye una fuente inagotable, esta dada principalmente por las diferencias de temperatura y factores de tipo geográficos.

El elevado desarrollo tecnológico y científico existente, alcanzado por numerosos países, han realizado estudios muy profundos acerca del aprovechamiento de la energía del viento, encontrado soluciones favorables al mismo.

En Cuba desde hace mucho tiempo se viene utilizando principalmente en los lugares donde no existe corriente eléctrica para el bombeo de agua con molinos multipalas, los cuales requieren de una baja velocidad del viento para su puesta en funcionamiento y han sido muy útiles en regiones ganaderas, mientras que para la generación eléctrica prácticamente nunca han sido utilizados.

Los aerogeneradores de mediano y gran tamaño (>10kW), generalmente son conectados a las redes de distribución nacional de electricidad brindando su aporte directo y continuo a la misma. [16]

Los aerogeneradores de pequeño tamaño (<10 kW) son usados en comunidades rurales o en lugares donde no se cuente con la posibilidad de usar electricidad proveniente de la red nacional, también se usan como aerobombas para extraer agua de los pozos, la cual puede ser usada para el consumo o para el riego de los cultivos u otros usos de la comunidad. [16]

Estas pequeñas unidades también son instaladas como parte de un sistema combinado de varias fuentes de energía lo cual garantizará un suministro estable de electricidad. Estos sistemas son muy usados en los cayos donde existen comunidades pesqueras que necesitan refrigerar sus pescados y disfrutar al mismo tiempo de las ventajas que la energía eléctrica brinda con relación al mejoramiento de las condiciones de vida.

Las pequeñas unidades, por su aplicación presentan una marcada influencia social al incidir directamente en las personas o comunidades más necesitadas de recursos o posibilidades para mejorar su nivel de vida. En los casos más favorables donde en la comunidad exista electricidad producida por un motogenerador, la implementación de un sistema eólico combinado con el existente permite el ahorro de combustible, cooperando de esta forma a la solución del problema global existente, dado por el uso de los combustibles fósiles.

Esta línea de trabajo recibió un importante impulso a mediados de los años 90, al calor de toda una serie de discusiones que tomó el país en esos momentos para reforzar las tareas energéticas, entre las que se destacan la creación de la Comisión Nacional de Energía, de las áreas energéticas en los organismos y provincias, entre otras instituciones.

Todo esto permitió no sólo ganar en criterios de selección sino también en el diseño, instalación, producción y estudio de emplazamientos.

La problemática del desarrollo de turbinas eólicas y específicamente los molinos de imanes permanentes (PMG) adquiere significativa importancia científico técnica y económica, dada las condiciones especiales en que se acomete la producción industrial de estas turbomáquinas en la etapa actual.

En el caso de los aerogeneradores PMG hasta el momento no se ha desarrollado ningún equipo, al no existir una base de conocimientos necesaria para acometer el desarrollo de este equipo en el país. Se tienen noticias de experiencias realizadas por el MININT y el MINAGRI, las cuales no han tenido resultados satisfactorios, por múltiples problemas de funcionamiento eléctricos y/o mecánicos, muchas de estas experiencias se han basado en alternadores de autos, lo que limitan la capacidad y estabilidad en el funcionamiento.

El presente trabajo estará encaminado a solucionar algunas de las dificultades y dejar incógnitas para continuar posteriormente la investigación, representando este trabajo un paso inicial en Cuba para este campo.

A partir de lo referido anteriormente y teniendo en cuenta la necesidad de desarrollar la energía eólica en el país por métodos científicos y considerando como uno de los factores principales la enorme influencia que tendría para el medio ambiente la utilización de los recursos eólicos como variante energética en el país y a nivel mundial, tal como aparece plasmado en el Programa Energético del Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente (CITMA).

Desarrollo.

Breve historia de los aerogeneradores.

Llegar a los aerogeneradores actuales ha sido un camino largo y escabroso. No es posible indicar en que parte del mundo se construyeron los primeros molinos de viento. Existen múltiples versiones de diferentes autores sobre el principio de la evolución de estos aparatos, existen razones para creer que fue en Egipto y los cruzados fueron quienes llevaron consigo la idea desde el Cercano Oriente a Europa.

Por otra parte se plantea que en el siglo V antes de Cristo se encuentran los primeros aerogeneradores en Asia: son máquinas de eje vertical iguales a las denominadas panemonas en algunas islas griegas que aún hoy se pueden contemplar. Alrededor de este mismo periodo Guy Cunty [16], Araus M [5]; plantean que en Egipto se utilizaban molinos de eje horizontal aunque lo único demostrable es que en el siglo VI d. de C. Se utilizaban aeromotores de eje vertical en la zona de Sijistán (entre Irán y Afganistán).

Aún siendo distintos desde el punto de vista tecnológico, los molinos tenían el mismo principio, ser capaces de transformar la energía eólica en energía para el bombeo de agua, la moledura de granos, etc. Lo cual limitó el aprovechamiento del viento durante siglos solo a estas aplicaciones.

Aunque desde Egipto se llevó rápidamente la idea de los molinos de viento hacia Europa, no es hasta el siglo VII después de Cristo cuando aparecen los primeros molinos, la tecnología de los mismos evolucionó hasta nuestros días, dando lugar a los clásicos molinos holandeses mecánicamente sofisticados, o los aeromotores para el bombeo de agua que progresan con la invención de la rueda multipala en el año 1870 por los americanos. [30]

Fue en el año 1802 cuando se pensó, por primera ves, en la transformación de la energía eólica en energía eléctrica. Lord Kelvin trató de asociar un generador eléctrico a un aeromotor, pero hubo que esperar hasta 1850 al acontecimiento de la Dinamo, para que existiese lo que hoy conocemos como "aerogenerador", en la producción de energía eléctrica. [5]

El faro de la Hebe fue la primera instalación de balizamiento marítimo equipada con una fuente de energía eléctrica autónoma mediante un aerogenerador.

Esta nueva aplicación de la energía eólica tuvo cierto éxito, de forma que en el año 1920 existían unos trescientos constructores de estos aparatos. [16]

El estudio en los campos de la aerodinámica permitió alcanzar grandes progresos en los aeromotores, muchos de estos conllevaron incluso a la realización de grandes máquinas, cuya potencia está comprendida entre 100 y 1 000 kW, lo cual demuestra que la producción de energía eléctrica a partir de la del viento es factible, ello ocurrió hasta el año 1961. Desgraciadamente en ese año el precio del petróleo bajó, poniendo al kilowatt "eólico" a precios inaccesibles. Todas las máquinas fueron desmontadas y vendidas a precio de chatarra. [30]

Desde el año 1973, poco a poco, ocurre el proceso inverso, impulsando programas de estudio y realización de aerogeneradores. No obstante, en 1978 eran pocas las instalaciones eólicas. La demanda de aerogeneradores de potencia pequeña y mediana en países industrializados permanece limitada a aplicaciones muy concretas. No obstante su demanda en países tercermundistas aumentó, esto se debe al bajo costo de producción e instalación de estos equipos en comparación con las ganancias retribuidas. [5]

A partir de las diversas experiencias internacionales de operación de grandes conjuntos de aerogeneradores modernos, constituyendo centrales eoloeléctricas, de 1980 a 1995 se evolucionó de la máquina de 50 kW a la de 500 kW, estando para el 1998 en proceso de introducción las unidades de 750 y 1000 kW, las que se consideraban el tope para este tipo de arquitectura y tecnologías actuales de grandes aerogeneradores.

La tecnología de materiales alrededor de los materiales compuestos, que permitan estructuras más esbeltas y ligeras, más resistentes a la oxidación y la corrosión, y más fuertes a la vez, así como de súper magnetos en los generadores, permitirán desarrollar nuevos conceptos más confiables y económicos, desde unidades de decenas de Watts hasta grandes aerogeneradores de potencia, trabajando en régimen de velocidad variable, aprovechando mejor la energía del viento y constituyendo junto con la energía hidroeléctrica, el soporte principal de la generación eléctrica en los sistemas nacionales. Para fines del año 2000 se han instalado en el mundo, más de 14,000 MW. En Europa, Alemania, Dinamarca, el Reino Unido, España y Grecia tienen los programas más ambiciosos. En España, la empresa eléctrica de la Provincia de Navarra ha instalado 54 Centrales eoloeléctricas y espera producir más del 50% de la energía que distribuye. La empresa eléctrica de la Provincia de Euskadi (País Vasco) también prevé un desarrollo importante, lo que ha ocasionado, paradójicamente, que grupos ecologistas protesten por lo que consideran excesivo.

Para el año 2020, la Asociación Europea de Energía Eólica, estima tener más de 20,000 MW instalados de potencia eólica para generación de electricidad. China y la India son dos países que han decidido dar un impulso grande a esta forma de generación eléctrica, para lo cual se han asociado con empresas europeas para fabricar en esos países el equipamiento requerido. En América Latina, Costa Rica y Argentina llevan la delantera, con 20 y 9 MW respectivamente. En Argentina son las empresas eléctricas cooperativas de la Patagonia las que han dado el impulso, amen de que las leyes estatales de la Provincia de Chubut, obligan a un 10% de la generación eléctrica con energía eólica. México tiene una central de 1,575 kW en la Venta, Oaxaca, con planes de ampliarla a 54 MW. Nicaragua también tiene planes de instalar una central eólica de al menos 30 MW. En el Caribe, la empresa eléctrica de Curazao opera desde marzo de 1994 una centralita de 4 MW que fue la primera eoloeléctrica en América Latina y el Caribe. [23]