Trabajo de investigación: Diseño y aplicaciones de una turbina eólica de eje horizontal

Instituto Tecnológico Superior de la Región Sierra[pic 1]

Nombre: Sthefania González Penguelly.

Carrera: Ing. En Energías Renovables.

Materia: Energía Eólica.

Catedrático: M.C. Diana Andrea Brito Picciotto

Trabajo de investigación: Diseño y aplicaciones de una turbina eólica de eje horizontal.

Grado: 6to Semestre.

1. Estándares nacionales e internacionales (aerogeneradores y molinos de viento)

En la actualidad las maquinas que se utilizan para la obtención de la energía eólica cuentan con un gran tamaño, sus características generales se resumen en la tabla 1.1.

Tabla 1.1 Características generales de grandes aerogeneradores

En el año 2008 la capacidad mundial que se acumuló alcanzo cerca de los 120,08 GW, de la cual, los países indicados en la tabla 1.2, poseían el 86% la de capacidad total, gran porcentaje con respecto al resto  tomando en cuenta que la tabla solo contiene a 10 países.

Tabla 1.2 Capacidad nominal instalada acumulada por países (MW) en 2008

En los últimos años la energía eólica a tenido un gran crecimiento. La figura 1.1 muestra esa evolución desde el año 2000 hasta al 2008.

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Figura 1.1 Potencia eólica mundial instalada acumulada, en MW

La energía eólica se ha utilizado desde hace muchísimos años tanto como para molinos como para bombeo de agua. La figura 1.2 muestra el típico molino holandés (a) utilizado para moler granos y semillas, y el aerogenerador multipala (b) americano utilizado para el bombeo de agua.[pic 3]

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                                                                                    (b)                                          

                        (a)

                Figura 1.2 Molino Holandés (a) y generador multipala para bombeo de agua (b).

En un inicio las turbinas tenían potencias de 20 a 50 kW, eran ruidosas, pesadas, con baja disponibilidad y con un gran coste unitario de inversión, alrededor de 3.000 €/kW instalado.

Apenas un cuarto de siglo más grande, la potencia aumento a entre 1,5 y 3 MW por aerogenerador, mucho más ligeros, mas disponibles, presentan un buen control de la regulación y su coste unitario de inversión se sitúa entre 900 a 1.300 €/kW instalado, según el tipo y tamaño de la máquina y de las características del parque eólico.

Durante el desarrollo de la energía eólica pueden distinguirse tres etapas:

• Etapa de inicio: Corresponde a la época comprendida entre 1970 y 1980. Durante esta etapa se consolida el modelo tripala, básicamente de velocidad constante, regulación por perdida aerodinámica, con generador eléctrico asíncrono con rotor en jaula de ardilla y con una capacidad nominal unitaria no mayor de unos 300 kW.
• Etapa de crecimiento: En los años 90´s, se introduce la regulación aerodinámica por paso variable, la turbina a velocidad variable y el generador asíncrono con rotor doblemente alimentado, favorecido por el desarrollo de la electrónica de potencia. La potencia nominal en esta etapa creció desde unos 300 kW a inicios de la década hasta unos 1.500 kW a finales de la misma.
• Etapa de consolidación y gran desarrollo: Al comienzo del siglo XXI. Se consolida la turbina regulada por paso variable frente al paso fijo por perdida aerodinámica. También aumenta notablemente el uso de turbinas con rotor a velocidad variable. Se resuelven problemas de integración en la red eléctrica, como estabilidad, respuesta frente a huecos de tensión y control de tensión y frecuencia. Actualmente se considera la potencia nominal de 5 a 6 MW como el límite máximo técnicamente para un aerogenerador. [1]

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Figura 1.3 Vista parcial de un parque eólico moderno

1. Cargas básicas para el diseño.

Las causas de todas las fuerzas que actúan sobre el rotor se atribuyen a los efectos de las fuerzas aerodinámicas, gravitacionales e inerciales. Las diferentes cargas y las tensiones pueden ser clasificadas de acuerdo con sus efectos en el tiempo en el rotor (figura 2.1):

– Cargas aerodinámicas constantes con una velocidad de viento y fuerzas centrífugas uniformes, son cargas independientes del tiempo y en estado de equilibrio, siempre y cuando el rotor está funcionando a una velocidad constante.

– Un flujo de aire que es constante, pero espacialmente no uniforme sobre el área de barrido del rotor causa cambios cíclicos de carga sobre el rotor de rotación. Esto incluye, en particular, el flujo irregular hacia el rotor debido al aumento en la velocidad del viento con la altura, un flujo cruzado hacia el rotor y la interferencia debido al flujo alrededor de la torre y sombreado de la torre.

– Las fuerzas de inercia debido al peso muerto de las palas del rotor también causan cargas que son periódicas e inestables. Por otra parte, las fuerzas giroscópica producidas cuando el rotor se está orientado también deben ser incluidas.[2]

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Figura 2.1 Efecto de la carga aerodinámica, gravitacional e inercial del rotor en una turbina eólica de eje horizontal

1. Cargas extremas

Uno de los problemas que tienen los ingenieros y trabajadores en el área de la planeación de parques eólicos son los vientos extremos. Las fuerzas de Huracanes son típicas de países que están cerca de la zona ecuatorial o con aguas bordeando sus costas extremadamente cálidas, y este fenómeno es el causante de daños severos en estos países. Algunos planificadores de parques eólicos evitan este fenómeno tratando de diseñar los parques eólicos en lugares alejados de estos sitios (problemáticos), pero, en algunos países hacer esto es realmente una posibilidad bastante baja.

Las turbinas eólicas deben ser diseñadas para operar en ambientes muy estocásticos para el menos 20 años. En adición con el ciclo natural de cargas inducidas por los mismos efectos inerciales de la estructura, las cargas también son provocadas por cambios temporales en las velocidades de viento, dirección y verticidad y esto ha sido un reto para los diseñadores de estas máquinas por mucho tiempo. [3]

Los fenómenos más peligrosos que existen en la clasificación de vientos extremos son los Huracanes y las tormentas tropicales. Muy pocos diseñadores de aerogeneradores hacen sus productos para que resistan un evento de estas categorías, debido a la poca demanda que tienen, y principalmente a los elevados costos de construcción.

Los Huracanes se clasifican según la escala Saffir-Simpson (Tabla 3.1) en orden de su velocidad.

Tabla 3.1 Clasificación de huracanes de acuerdo a su velocidad

En la gran mayoría de los proyectos de planificación de parques eólicos es normal evitar para la instalación de estas máquinas los sitios que pudieran tener influencia de estos fenómenos meteorológicos extremos, pero la realidad es que existen países que desean introducir la tecnología de generación de electricidad con máquinas eólicas donde es imposible evitar zonas de riesgo. 

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