TRANSFORMACION DE LA ENERGIA EOLICA

Transformación de la Energía Eólica en Energía Eléctrica

1.- ENERGÍA EÓLICA

Entre las fuentes de energía disponibles en la actualidad para la generación de energía eléctrica renovable, la energía eólica es la más preclara, debido a la no contaminación, relativamente bajo costo de capital involucrado y el corto período de gestación requerido. Los sistemas eólicos han sido ampliamente utilizados desde el siglo X para bombear agua, moler grano, y otras aplicaciones de baja potencia. Hubo varios intentos tempranos para construir sistemas de energía eólica a gran escala para generar electricidad. Recientemente, un aerogenerador de 7 MW y diámetro de rotor de más de 126 metros ha estado en funcionamiento.

Según Global Wind Energy Council (GWEC), la capacidad mundial de energía eólica ha aumentado de 7,600 MW al cierre de 1997 a 159,215 MW en 2009. Los principales países productores de electricidad a partir del viento son EE.UU., China, Alemania, España y la India, con sus capacidades instaladas 35,159, 25,770, 25,105, 19,149 y 3,000 MW, respectivamente, para el año 2009. Hoy en día, la energía eólica representa aproximadamente el 0,4 % de la demanda mundial de electricidad. Un análisis realizado por la Asociación Europea de Energía Eólica (EWEA), muestra que no existen limitaciones de recursos técnicos, económicos que impidan que la energía eólica se desarrolle a casi el 12% del suministro de la electricidad mundial en 2020, pero con un fuerte compromiso político a nivel mundial, la industria de la energía eólica podría instalar un estimado de 1’200,000 MW para el año 2020.

La potencia eólica total Pw que está disponible para una aerogenerador está dada por

Pw = (ρAV3)/2

Donde ρ es la densidad del aire en kg/m3, A es el área expuesta en m2, y V es la velocidad en m/s. La potencia máxima que puede obtenerse a partir de un sistema eólico es el 59,3% de la potencia eólica total. La potencia en el viento se convierte en energía mecánica con una eficiencia (coeficiente de rendimiento) cp, que se transmite al generador a través de una transmisión mecánica con la eficiencia nm, y se convierte en electricidad con una eficiencia ng. La salida de potencia eléctrica es luego:

Pe = cpnmngPw

Hay varias formas de clasificación de los sistemas de viento, por ejemplo, según el tamaño de la potencia de salida, velocidad de rotación de los aerogeneradores, la orientación de los aerogeneradores, etc. De acuerdo con el tamaño de salida de potencia, los sistemas de viento se pueden clasificar, por ejemplo, como pequeño, mediano y grande.

De acuerdo con la velocidad de rotación, los aerogeneradores se clasifican como generadores de velocidad fija y de velocidad ajustable. En los generadores de velocidad fija, el rotor se mantiene constante ajustando continuamente el paso de las palas y/o características del generador. Para los generadores síncronos, el requisito de velocidad constante es muy rígido y sólo se pueden permitir fluctuaciones menores de 1 % por corto tiempo. Como el viento fluctúa, un mecanismo de control hace necesario variar el campo del rotor, para que la potencia derivada del sistema se mantenga constante. Los generadores de inducción con pequeño deslizamiento negativo también pueden ser considerados como velocidad constante. Los generadores de inducción son más simples que los generadores sincrónicos. Son más fáciles de operar, controlar y mantener, no tienen ningún problema de sincronización, y son económicos. Aerogeneradores de alta potencia modernos son capaces de funcionar de velocidad ajustable. Las principales ventajas de los generadores de velocidad ajustable en comparación con los generadores de velocidad fija es que son rentables, ofrecen control de paso simple, y dan una mayor producción para velocidades tanto altas y bajas de viento.

De acuerdo con la orientación de las turbinas, se clasifican como máquinas de eje horizontal y vertical. En las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT), el eje de rotación es paralelo a la dirección del viento. Dependiendo del número de palas, éstos se pueden clasificar como single-bladed, double-bladed, three-bladed, multibladed, and bicycle-bladed. En los aerogeneradores de eje vertical (VAWT), el eje de rotación es perpendicular a la dirección del viento. Estas máquinas también son llamadas máquinas de eje de viento cruzado. Principales diseños de máquinas de eje vertical son rotores Savonious y Darrieus. Las principales ventajas de VAWT sobre HAWT convencional son que VAWT son omnidireccionales, es decir, aceptan el viento de cualquier dirección. La rotación del eje vertical también permite el montaje del generador y el engranaje en el nivel del suelo. En el lado negativo VAWT requiere cables de sujeción fijados a dicha parte por el apoyo, lo que puede limitar su aplicación en particular para los sitios de alta mar.

Las velocidades del viento sobre el océano abierto promedio de 30% a 50% más alto que en la tierra, mientras que la turbulencia se reduce debido a la ausencia de obstrucciones superficiales tales como colinas, árboles y edificios. Dado que la potencia aumenta al cubo de la velocidad del viento, los aumentos sustanciales en la producción que se pueden conseguir en los sistemas de energía eólica en alta mar pueden más que compensar el aumento del costo de la sesión de turbinas eólicas en el agua. Por lo tanto, los diseños en alta mar necesitan cumplir varios requisitos, los ventiladores deben tener componentes de grado marino, sellos y recubrimientos para protegerlos de la corrosión. En Europa, los proyectos costa afuera están surgiendo en las costas de Dinamarca, Suecia, Reino Unido, Francia, Alemania, Bélgica, Irlanda , los Países Bajos y Escocia.

Figura1. Representación de energía cinética del viento en trabajo.

2.- TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA

El viento es aire en movimiento, y la masa en movimiento del aire contiene energía cinética (la energía del movimiento). El desafío de poner la energía cinética del viento a trabajar se encuentra en la de convertir de manera eficiente en formas más útiles de energía, como la energía mecánica o electricidad.

En las áreas que están más densamente poblados, la energía eléctrica es una forma más útil de energía que la energía mecánica. Cuando el eje de transmisión de un sistema de energía eólica está conectado a un generador, la energía mecánica del viento se convierte en electricidad.

Las aspas impulsan el eje del generador, que contiene los imanes dentro de una bobina de alambre. Cuando el eje de transmisión hace girar los imanes, se genera energía eléctrica.

Para calcular la potencia disponible en

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