2. Aerogeneradores
Energia accesible.Los aerogeneradores, tienen diversas aplicaciones específicas, ya sea eléctricas o de bombeo de agua, mediante el aprovechamiento y transformación de energía eólica en energía mecánica. Se entiende por energía eólica a los vientos que existen en el planeta producto de fenómenos que se estudiaran más adelante.
Esta energía, es inagotable, no contamina; y aunque la instalación de uno de estos aparatos es relativamente costosa y morosa, a la larga se sentirán los resultados positivos, especialmente en el campo económico. Un punto que vale hacer notar, es la autonomía frente a la fuente más cercana accesible, que en este caso es la Empresa Nacional de Energía (ENDE. Esta última no siempre se presenta en los pueblos alejados, por el costo que supone instalar una red hacia aquellos).
Historia de los aerogeneradores.Es importante destacar e interesante además, algunas fechas dentro de la tecnología eólica y de la utilización de aeromotores. En el s. V a. C. se encuentran los primeros aeromotores en Asia: son máquinas de eje vertical iguales a las denominadas panemonas de algunas islas griegas. Más o menos por la misma época, en Egipto se utilizaban molinos de eje vertical para moler grano y bombear agua, también en la zona de Sijistán entre Irán y Afganistán.
Todos estos molinos tenían el mismo principio: transformar la energía eólica en energía para el bombeo de agua y la molturación del grano entre otras.
En el siglo VII d.C. se da origen a los primeros modelos rústicos de los clásicos molinos holandeses que hoy en día son mecánicamente sofisticados. O los aeromotores para el bombeo de agua que progresa con la invención de las multipalas en 1870 por los americanos. Fue en el año 1802 cuando Lord Kelvin trató de asociar un generador eléctrico a un aeromotor para la producción de energía eléctrica.
Hacia el año 1920 la energía eólica obtiene cierto éxito, pues habían trescientos constructores de estos aparatos. El estudio en los campos de la aerodinámica permitió alcanzar enormes progresos en los aeromotores, esto 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 al precio de chatarra.
Desde el año 1973 ocurre el proceso inverso, impulsando programas de estudio y realización de aerogeneradores. La demanda en países industrializados es mínima. Pero no obstante la demanda en países tercermundistas aumentó de nivel, esto por el obvio bajo costo de producción e instalación de estos aparatos en comparación a las ganancias retribuidas.
Distintas clases de aeromotor.Se definen en general, los aeromotores según la posición de su eje de rotación, con relación a la dirección del viento. Así se dividen en:
Aeromotores de eje horizontal.
Con el eje paralelo a la dirección del viento.
Con el eje perpendicular a la dirección del viento.
Aeromotores de eje vertical.
Aeromotores que utilizan el desplazamiento de un móvil.
Aeromotores de eje horizontal.Eje paralelo a la dirección del viento. Son las máquinas más difundidas, y con rendimiento superior a las demás. Incluyen aquellas de 1,2,3 o 4 palas, además de las típicas multipalas para el bombeo de agua. Debemos distinguir aquellas de "para el viento" y aquellas que tiene sus palas situadas de "espalda al viento". Los aerogeneradores, generalmente van provistos de rotores bipala o tripala (cara al viento), para potencias inferiores a 1 kW (P<1>1 kW). Eje horizontal perpendicular a la dirección del viento. Los aerogeneradores más significativos de eje perpendicular a la dirección del viento, son los de perfil oscilante y el sistema de captación con palas batientes. Estos sistemas se han estudiado ampliamente, también se construyeron prototipos; pero presentan más inconvenientes que ventajas; en especial necesitan sistemas de orientación igual a los de eje horizontal paralelo al viento. La recuperación de energía es en generalmente complicada y no presenta un buen rendimiento.
Aeromotores de eje vertical.Son presumiblemente, las primeras máquinas que se utilizaron para la captación de energía eólica, ya que son más sencillasque las de eje horizontal; no necesitan ningún sistema de orientación. Lo que constituye una ventaja constructiva. En funcionamiento las palas, los rodamientos y los ejes, no están sometidos a esfuerzos importantes por cambios de orientación. Son de fácil construcción. El rendimiento es mediocre (el rotor Savonius un 20% del límite de Betz). No se experimentó un gran desarrollo en estos aparatos.
Existen 3 grandes familias de aeromotores de eje vertical.
Aeromotores Savonius.Esencialmente utilizan el arrastre diferencial creado por las palas que pueden ser de diversas formas. El par de arrastre es levado, pero la velocidad máxima es claramente inferior a la de los rotores de eje horizontal.
Aeromotores Darrieus.(patente/1931)Emplea la sustentación de las palas y están caracterizados por débil par de arranque y velocidad de rotación elevada que permite la recuperación de una gran potencia. Para mejorar el par de arranque se pueden acoplar otro tipo de rotores haciéndolo mixto (Savonius-Darrieus). Este tipo de máquinas es susceptible de competir con los aeromotores rápidos, bipalas y tripalas de eje horizontal; son objeto de estudio y desarrollo.
Razon de la eleccion del aeromotor de eje horizontal bipala.Los aeromotores de eje horizontal paralelo a la dirección del viento, son los más extendidos, por tener el mejor rendimiento con relación a la energía máxima recuperable, conocida como límite de Betz. En esta tesina, nos limitaremos de este tipo de aeromotores para la generación de electricidad.
Configuracion de una estacion eolica.Cualquier estación eólica destinada a la producción de energía eléctrica tiene según el siguiente organigrama esta configuración:Organigrama de una estación de suministro de energía por aerogenerador.
Constitucion de un aeromotor.Un aeromotor está constituido por las siguientes partes:Un aeromotor de dos palas (o tres, no es nuestro caso), provisto de un sistema de regulación, que confiera al rotor una velocidad de rotación estable a partir de cierta velocidad del viento, y un sistema de seguridad destinado a frenar la máquina en caso de tempestad, si el sistema de regulación es inoperante a altas velocidades.
Un generador eléctrico que puede estar:Directamente acoplado al aeromotor. En el caso más sencillo las palas van directamente montadas en el eje del generador. Acoplado a un multiplicador, colocado entre el aeromotor y el generador. Se verá que la velocidad de rotación depende del diámetro del rotor y disminuye cuando el diámetro aumenta. Entonces para tener un buen rendimiento, es necesario aumentar las revoluciones del aeromotor antes de acoplarlo al generador.Mecanismo de giro, que permita a la máquina estar siempre orientada en la dirección del viento, cualquiera que sea esta. La energía producida en la parte móvil, se transmite por medio de un dispositivo colector asociado al mecanismo de rotación.Cárter o armazón, que envuelva y proteja a todas las piezas del conjunto de los los factores climáticos. Una cola, en el caso de que la máquina funcione de cara al viento, para obtener una orientación según los movimientos de la masa de aire.
En la siguiente figura se representa al aerogenerador de cara al viento con las partes descritas: Aerogenerador con aeromotor "caro al viento"
Torre de soporte del aerogenerador.Es importante su construcción por varias razones, la cual es mecánicamente sencilla.Su altura. El aerogenerador debe estar situado por encima de las perturbaciones causadas por el terreno. La instalación de la torre en el altiplano boliviano no será necesariamente muy alta, debido a la peculiaridad de la configuración geográfica en esta zona.Su frecuencia. Cualquier máquina giratoria es siempre asiento de vibraciones; es por tanto, esencial que la frecuencia propia de la torre sea muy diferente a la frecuencia de las vibraciones (fundamentales y armónicas), engendradas por el aerogenerador.
Mantenimiento. El acceso a la torre debe ser fácil para su buen mantenimiento. En nuestro caso la torre abatible es la que mejores bondades presenta. Robustez. La torre deberá resistir las sobrecargas producidas, como ser: esfuerzos ocasionados por funcionamiento anormal, ráfagas de viento, y turbulencias. Forma. Preferiblemente no angular, para evitar esfuerzos innecesarios en la misma torre mejorando así el flujo de corrientes de aire.
Dispositivo Para El Almacenamiento De La Energia Producida.La estación eólica deberá disponer de un medio para el almacenamiento de la energía producida, esto con el fin de abastecimiento en períodos de calma atmosférica. En general el medio más accesible para este propósito son los acumuladores de plomo. Vale hacer notar que una parte importante de la inversión esta dirigida a este campo. Aproximadamente de un 20% a 50% del total del costo.
Fuente energetica de apoyo.Según la capacidad del aerogenerador, su utilización y los regímenes de viento, puede ser necesario el uso de fuentes de apoyo. Para garantizar el funcionamiento continuo de la instalación en caso de fallo en el aerogenerador. Para disminuir el uso de almacenadores.
A este objetivo, se perfilan dos grandes representantes:Motores de explosión (combustión interna), a diesel o gasolina u otro derivado del petróleo.Batería de acumuladores cargada por células fotovoltaicas.Dispositivo Para Vigilar El Estado De Las Baterias De Acumuladores.A pesar de ser los acumuladores de plomo el medio más barato y fácil de instalar, necesitan una vigilancia muy severa. Los acumuladores de plomo, son extremadamente sensibles a regímenes de descarga y sobrecarga prolongados. Por lo tanto es indispensable instalar un sistema manual o automático de vigilancia.
Este dispositivo deberá asegurar prioritariamente:El corte de la corriente de carga de la batería cuando está completamente cargada.La conmutación del circuito de utilización hacia la fuente de apoyo, si existe, cuando la batería esté descargada. La protección de los distintos elementos de la instalación mediante fusibles.
Los medios para medir el buen funcionamiento de la estación (valor de la corriente de carga, de la tensión dada por aerogenerador, etc).
Dispositivo de orientacion.Los aeromotores de eje horizontal necesitan una orientación permanente de la máquina en una dirección paralela a la del viento para disminuir los esfuerzos y las pérdidas de potencia.
Características del aerogenerador proyectado.Existen muchos dispositivos de orientación, elegidos generalmente de acuerdo con la potencia del aeromotor. Son parte importante del buen rendimiento de la instalación eólica.Los aeromotores de eje horizontal están sometidos a fuertes esfuerzos durante los cambios bruscos de orientación, originados por los cambios de velocidad y dirección del viento. Estos esfuerzos son mayores cuanto mayores sean las aceleraciones que se producen en un cambio de dirección.
La componente perpendicular al eje de rotación de la hélice es proporcional al cuadrado de la velocidad de giro alrededor del eje principal ( en rad/s).Los cambios de dirección y las variaciones de frecuencia de rotación provocados por las ráfagas son el origen de vibraciones nefastas para el buen funcionamiento del aeromotor.El sistema de orientación deberá cumplir con la condición necesaria de mantener el rotor caro al viento sin provocar grandes cambios de dirección del rotor cuando se produzcan cambios rápidos de la dirección del viento.Para los aeromotores de pequeña y mediana potencia, cuya hélice está situada para el viento, el dispositivo de orientación es una cola, constituida generalmente por una superficie plana (placa metálica o de madera) situada en el extremo de un soporte unido al cuerpo del aeromotor.La condición antes descrita se obtiene por la determinación de la superficie de la cola sobre la cual se ejerce el par de giro.Esta superficie se determina experimentalmente situando la máquina prototipo en un lugar donde la corriente de aire está perturbada y buscando la superficie óptima de la cola.Cuando la cola se sitúa en el eje aeromotor, la longitud de soporte juega una función importante, puesto que cuanto más largo sea menos se situará en la zona de turbulencias del aeromotor, originadas por el giro de la hélice.Para evitar que la cola este situada en la zona de turbulencias debidas a la rotación de la hélice (una distancia igual a 6 o 10 veces el diámetro), algunos constructores (Aerowatt), después de haberlo ensayado en túneles aerodinámicos, han equipado a sus aeromotores con colas cuya parte útil está situada fuera de las perturbaciones.
Dispositivo de orientación para aeromotores de cara al viento.
Para adaptar esta cola a lugares perturbados, el mismo constructor ha hecho una cola cuya superficie varía en función de las solicitudes originadas por los cambios de orientación del viento. La parte útil de la cola está constituida por una parte fija y una parte móvil articulada a la anterior mediante un material elástico.
En el caso de que se produzcan cambios de dirección del viento, la parte móvil gira, disminuyendo así él para de giro y por consiguiente la velocidad angular de orientación es menor así como los esfuerzos. Las colas, que son muy eficaces, son muy difíciles de poner en práctica por causa de su peso y sus dimensiones en los aerogeneradores cuya hélice tenga un diámetro superior a 20 m (dimensión que corresponde a una potencia cercana a los 100 KW para una máquina con una velocidad nominal de 11m/s y un rendimiento del 65% con relación al de Betz). La mayoría de los aeromotores destinado a instalaciones de pequeña potencia (P < 10 KW) funcionan con la hélice situada contra al viento y están equipados con la cola orientadora.
Los aeromotores cuyo diámetro es superior a los 20 metros funcionan generalmente con la hélice a favor del viento, es decir, con ésta detrás de la torre de sustentación. Desgraciadamente, éste sistema de orientación implica un funcionamiento de la hélice que crea esfuerzos periódicos destructivos.
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