ENERGÍA EÓLICA - Univirtual - Universidad Tecnológica de Pereira

ENERGÍA EÓLICA
UNIVIRTUAL COHORTE 2
USO Y APLICACIÓN DE LAS TIC
EN LA EDUCACIÓN SUPERIOR
Ing. Aristóbulo Mejía Echeverri
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍA MECÁNICA.
2013
ENERGÍA EÓLICA
INDICE
Pág.
Introducción
4
1.00 Recursos eólicos
5
2.00 La energía y la potencia del viento
8
2.01 Distribución Weibull
9
3.00 Aerogeneradores y Parques eólicos
10
3.01 Curva de potencia de un Aerogenerador
13
3.02 Coeficiente de potencia
14
4.00 Partes de un Aerogenerador
15
4.01 Rotor
15
4.02 Eje principal
16
4.03 Multiplicador
16
4.04 Eje de alta velocidad con su freno mecánico
16
4.05 Generador eléctrico
16
4.06 Mecanismo de orientación
16
4.07 Controlador electrónico
17
4.08 Radiador
17
4.09 Anemómetro
17
4.10 Torres de los Aerogeneradores
17
5.00 Factores económicos de los Aerogeneradores
19
5.01 El precio Banana
19
6.00 Historia de los aerogeneradores
21
7.00 Impacto ambiental
25
7.01 Comparación del impacto ambiental de las diferentes formas de
producir electricidad
8.00 Potencial eólico Colombiano
27
28
8.01 Estaciones con información de viento en la Costa Atlántica
29
8.02 Potencial de la energía eólica en la costa Atlántica
30
Conclusiones
31
Bibliografía
32
2
INTRODUCCIÓN
Es inevitable que el hombre como un ser vivo no explote la naturaleza, ya sea para su
alimentación o para su comodidad, y a lo largo de los años estas demandas han ido
aumentando casi exponencialmente, a tal punto que se ha visto obligado a pensar en las
consecuencias que esta inexorable extracción de recursos naturales pueda traer en los años
venideros.
Es así como nuevas formas y técnicas para el aprovechamiento de estos
recursos surgen, en especial, todas aquellas que cuidan, y conservan el medio ambiente,
o al menos que los efectos nocivos sean pequeños en consideración a los métodos
tradicionales. Por lo tanto, es importante conocer, y entender como es que estos nuevos
tipos de técnicas funcionan.
Este es el caso del aprovechamiento de los recursos eólicos. Lo irónico de la situación es
que a pesar de que hemos convivido con los vientos y peor aun en contacto constantemente
con ellos, apenas estamos descubriendo todos sus inmensos beneficios como recurso limpio
explotable, y mejor aún que no nos cuesta.
3
1.00 Recursos Eólicos
Lo primero que debemos tratar de entender, es que, la fuente de las energía renovables ( a
excepción de la mareomotriz y la geotérmica) vienen del sol.
El sol irradia
174.423.000.000.000 KWh. de energía por hora hacia la Tierra. En otras palabras, la Tierra
recibe 1,74 x 10 17 w de potencia. (PWh)
Alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energía proveniente del sol es convertida en
energía eólica.
Las diferencias de temperatura en la tierra producen una circulación del viento. En las
regiones del ecuador, como todos sabemos las temperaturas son mas altas, y en otras
regiones como por ejemplo en los polos la temperatura es más baja, ya que el aire caliente
es más ligero (menos “pesado”) que el aire frió, este aire caliente comienza a elevarse, y
los espacios vacíos que dejan son ocupados por el aire frió, el aire calienta subirá hasta una
altura de 10 Km. y se desplazara en dirección hacia los polos, a medida que el aire caliente
se aleja del ecuador su temperatura desciende “convirtiéndose” en aire frío, posteriormente
este
aire
frío
desciende
al
ecuador,
para
así
convertirse
en
un
ciclo.
Esta es una imagen de rayos infrarrojos
que nos
muestra la diferencia de
temperatura en la superficie del mar,
entendiendo las zonas rojas como las mas
calientes, y la azules como las mas frías
La cosa no es tan simple como lo anteriormente discutido (es solo una forma simplista de
ver este fenómeno), debido a ciertos factores que intervienen en este proceso, uno de ellos
es el del movimiento de rotación de la tierra que influye considerablemente sobre el
desplazamiento del aire, de cualquier cosa que se mueva sobre la superficie terrestre, este
4
es el efecto o fuerza de Coriolis. Esta es fuerza se presenta cada vez que un cuerpo se
desplaza sobre otro cuerpo en movimiento.
La fuerza de Coriolis es un fenómeno visible, Las vías del ferrocarril se desgastan más
rápidamente de un lado que del otro, Las cuencas de los ríos están excavadas más
profundamente en una cara que en la otra (de cual se trate depende en qué hemisferio nos
encontremos: en el hemisferio norte las partículas sueltas son desviadas hacia la derecha).
En el hemisferio norte el viento tiende a girar en el sentido contrario al de las agujas del
reloj (visto desde arriba) cuando se acerca a un área de bajas presiones. En el hemisferio sur
el viento gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de áreas de bajas presiones.
Todos los fenómenos meteorológicos tienen lugar en la troposfera, esta alcanza una altitud
de 11 Km.
Los movimientos del aire ya estudiados reciben el nombre de vientos
geostróficos, estos tienen lugar alrededor de los mil metros de altura. Otro tipo son los
vientos de superficie, que son mucho más influenciados por la superficie o por la
rugosidad del terreno ya que estos se presentan a una altura de 100 m. . Como estos son
los vientos que podemos aprovechar mas fácilmente debido a su poca altura, entraremos
mas a fondo en el estudio de estos.
Debido a la cercanía de estos vientos con la superficie, se entiende que los obstáculos que
estos se pueden encontrar constituyen un frenado importante para estos. Entre estos vientos
de superficie o vientos locales están las brisas marinas y los vientos de montaña.
Las brisas marinas son un ejemplo a una escala relativamente pequeña de lo que ocurre con
los vientos geostróficos, es decir, durante el día la tierra se calienta mas fácilmente que en
el mar gracias al sol, esto hace que los vientos traten de circular, el aire que esta en
“tierra” sube y circula hacia el mar, creando una depresión a nivel del suelo que atrae el
aire frió del mar. Un ejemplo grande de este fenómeno es el monzón del sureste asiático.
Los vientos de montaña son generados en el fondo de las estas, o en las laderas, esto
ocurre ya que allí el aire se calienta, su densidad disminuye, y por tal motivo asciende. Lo
mejor par ver este fenómeno es una imagen.
5
6
2.00 La energía y potencia del viento
La energía del viento,
es energía cinética ( Ec.),
Como sabemos esta energía es
proporcional a la masa y velocidad del cuerpo, es decir, Ec = (1/2)*m*V² , en el caso del
viento su Ec. por unidad de tiempo Depende de su densidad (ρ), masa sobre unidad de
volumen (m/v), ρ = m/v. La densidad del viento varia de acuerdo a la temperatura,
humedad y altura. Entre más denso el aire “pesado” más Ec. tendrá el viento.
La Ec. por unidad de tiempo se llama potencia (P), en otras palabras, la potencia es la
transferencia de engría por unidad de tiempo, P = (1/2)*(dm/dt)*V²
Como estamos trabajando con un fluido ( aire), entonces la variación de la masa el fluido
con respecto al tiempo es igual a la densidad de dicho fluido por el área que atraviesa y por
su velocidad, dm/dt = ρ*A*V.
Sustituyendo dm/dt en la ecuación de potencia tendremos:
P = (1/2)*ρ*A*V*V² = (1/2)*ρ*A*V³.
Normalmente se acostumbra a trabajar la potencia eólica por unidad de área ( P/A = p), p
se conoce como densidad de potencia.
p = (1/2)*ρ*V³.
Si ρ se da en [Kg/m³] y la velocidad en [m/s], la densidad de potencia tiene unidades de
[W/m²].
De estas dos ultimas ecuaciones se puede notar que la potencia del viento es proporcional al
cubo de su velocidad, por ejemplo, si el viento tiene cierta velocidad V, y esta se duplica,
su potencia aumentara 2³= 2*2*2 = 8 veces mas.
Para poder utilizar esta potencia debemos tener una estadística o un modelo de cómo
variaría la velocidad del viento, y tener un promedio de este, puesto que sabemos que
todos los días la velocidad del viento no es la misma, por ejemplo, hoy puede estar muy
tranquilo pero mañana podría haber un vendaval.
Para esto existe un modelo de
distribución de probabilidad, y se llama la distribución Weibull.
7
2.01 Distribución Weibull
f(V)=(k/c)*(V/c)^(k-1)exp[-(V/c)^k]
donde: V = Velocidad del viento k = factor de forma c = factor de escala
Esta distribución es muy importante ya que ha la hora de hacer cálculos, resultarían muy
imprecisos tomando solo un valor promedio de la velocidad del viento, entonces se trabaja
con esta curva. ¿Pero porque es tan importante conocer con precisión estos datos?, bueno,
la respuesta es conocer su contenido energético, esto influye demasiado a la hora de
diseñar dispositivos de una forma optima,
también a la hora estimar presupuestos y
ganancias.
Ya mencionado el terreno de los dispositivos, es importante comenzar a hablar de los
aerogeneradores y los parques eólicos.
8
3.00 Aerogeneradores y Parques Eólicos
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. Un aerogenerador típico de 600 KW. tiene un diámetro del rotor de
43-44 metros, lo que supone un área del rotor de unos 1.500 metros cuadrados. 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 2 2 = 2 x 2 = cuatro veces más energía.
Los aerogeneradores desvían el viento,
esto significa que nunca seremos capaces de
capturar toda la energía que hay en el viento utilizando un aerogenerador, esto es conocido
como la ley de Betz. A continuación una imagen simplista de la situación, ya que en
realidad el viento se desvía antes de que este alcance el plano del aerogenerador.
Cuanto mayor sea la energía cinética que un aerogenerador extraiga del viento, mayor será
la ralentización que sufrirá el viento que deja el aerogenerador. La ley de Betz dice que
sólo puede convertirse menos de 16/27 (el 59 %) de la energía cinética en energía mecánica
usando un aerogenerador.
9
El rotor de la turbina eólica debe obviamente frenar el viento cuando captura su energía
cinética y la convierte en energía rotacional. Esto implica que el viento se moverá más
lentamente en la parte izquierda del rotor que en la parte derecha en la figura.
Dado que la cantidad de aire que pasa a través del área barrida por el rotor desde la derecha
(por segundo) debe ser igual a la que abandona el área del rotor por la izquierda, el aire
ocupará una mayor sección transversal (diámetro) detrás del plano del rotor. Este efecto
puede apreciarse en la imagen anterior, donde se muestra un tubo imaginario, el llamado
tubo de corriente, alrededor del rotor de la turbina eólica. El tubo de corriente muestra
cómo el viento moviéndose lentamente hacia la izquierda ocupará un gran volumen en la
parte posterior del rotor.
El viento no será frenado hasta su velocidad final inmediatamente detrás del plano del
rotor. La ralentización se producirá gradualmente en la parte posterior del rotor hasta que
la velocidad llegue a ser prácticamente constante.
La velocidad del viento es muy importante para la cantidad de energía que un
aerogenerador puede transformar en electricidad. En el caso de turbinas eólicas usamos la
energía de frenado del viento, por lo que si doblamos la velocidad del viento tendremos
dos veces más porciones cilíndricas de viento moviéndose a través del rotor cada segundo,
y cada una de esas porciones contiene cuatro veces más energía.
Las turbulencias disminuyen la posibilidad de utilizar la energía del viento de forma
efectiva en un aerogenerador. También provocan mayores roturas y desgastes en la turbina
eólica. Las torres de aerogeneradores suelen construirse lo suficientemente altas como para
evitar las turbulencias del viento cerca del nivel del suelo.
Otras cosas en si que hay que considerar son los obstáculos,
estos constituyen una
disminución o un frenado en el viento, estos obstáculos a menudo crean turbulencia.
Los diseñadores siempre tienen en cuenta el abrigo del viento,
esto significa que
consideran la distancia de los posibles obstáculos a los aerogeneradores.
El efecto de estela que se muestra en la siguiente figura es Debido a que un aerogenerador
produce energía a partir de la energía del viento, el viento que abandona la turbina debe
tener un contenido energético menor que el que llega a la turbina.
Esto se deduce
directamente del hecho de que la energía ni se crea ni se destruye.
10
Un aerogenerador siempre va a crear un abrigo en la dirección a favor del viento. De
hecho, habrá una estela tras la turbina, es decir, una larga cola de viento bastante
turbulenta y ralentizada, si se compara con el viento que llega a la turbina (la expresión
estela proviene, obviamente, de la estela que deja un barco tras de sí).
Realmente puede verse la estela tras un aerogenerador si se le añade humo al aire que va a
pasar a través de la turbina, tal y como se ha hecho en la imagen. (Esta turbina en
particular fue diseñada para girar en sentido contrario al de las agujas del reloj, algo
inusual en los aerogeneradores modernos).
En los parques eólicos, para evitar una turbulencia excesiva corriente abajo alrededor de
las turbinas,
cada una de ellas suele estar separada del resto una distancia mínima
equivalente a tres diámetros del rotor.
En las direcciones de viento dominante esta
separación es incluso mayor. Esto es conocido como el efecto parque, el efecto parque
considera alrededor de una perdida del 5 % en la energía eólica.
La curva de potencia de un aerogenerador es un gráfico que indica cuál será la potencia
eléctrica disponible en el aerogenerador a diferentes velocidades del viento.
11
3.01 Curva de potencia de un aerogenerador
El gráfico muestra una curva de potencia de un típico aerogenerador danés de 600 KW.
Las curvas de potencia se obtienen a partir de medidas realizadas en campo, dónde un
anemómetro ( instrumento para la medición del viento) es situado sobre un mástil
relativamente cerca del aerogenerador (no sobre el mismo aerogenerador ni demasiado
cerca de él, pues el rotor del aerogenerador puede crear turbulencia, y hacer que la medida
de la velocidad del viento sea poco fiable).
Es difícil hacer medidas exactas de la propia velocidad del viento. Si se tiene un 3 por
ciento de error en las mediciones de la velocidad del viento, entonces la energía del viento
puede ser un 9 por ciento superior o inferior (recordando que el contenido energético varía
con la tercera potencia de la velocidad del viento).
En consecuencia, pueden existir errores hasta de ±10% incluso en curvas certificadas.
Una curva de potencia no indicará cuanta potencia producirá un aerogenerador a una cierta
velocidad del viento media. ¡Ni siquiera se acercará si usa este método!.
El coeficiente de potencia indica con qué eficiencia el aerogenerador convierte la energía
del viento en electricidad.
Simplemente dividiendo la potencia eléctrica disponible por la potencia eólica de entrada,
para medir como de técnicamente eficiente es un aerogenerador. En otras palabras,
12
tomamos la curva de potencia y la dividimos por el área del rotor para obtener la potencia
disponible por metro cuadrado de área del rotor. Posteriormente, para cada velocidad del
viento, dividimos el resultado por la cantidad de potencia en el viento por metro cuadrado.
El gráfico muestra la curva del coeficiente de potencia para un aerogenerador danés típico.
3.02 Coeficiente de potencia
Con estos datos de las dos anteriores graficas podemos calcular la energía anual disponible
en un aerogenerador típico danés vs. las velocidades medias del viento.
Las tres curvas presentadas, amarrilla, roja y azul, corresponden a los parámetros de
Weidbull 2.5, 2 y 1.5 respectivamente.
13
4.00 Partes de la góndola de un Aerogenerador
La góndola contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador
y el generador eléctrico.
4.01 Rotor:
El rotor es atornillado al eje principal (el grande). El enorme rotor tiene tres palas que
atrapan el viento. Si tiene la suficiente potencia, el viento hará que el rotor gire.
Las partes del rotor, con el buje y las palas.
Las palas del rotor capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un
aerogenerador moderno de 1000 KW. cada pala mide alrededor de 27 metros de longitud y
14
su diseño es muy parecido a la del ala de un avión. El buje del rotor está acoplado al eje de
baja velocidad ( Eje principal) del aerogenerador.
4.02 Eje principal:
El eje de baja velocidad del aerogenerador conecta el buje del rotor al multiplicador. En un
aerogenerador moderno de 600 KW. el rotor gira demasiado lento, de unas 19 a 30
revoluciones por minuto ( r.p.m.). El eje contiene conductos del sistema hidráulico para
permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámico. El rotor utiliza una gran fuerza para
girar el eje. Por lo tanto, el eje tiene que ser muy grueso.
4.03 Multiplicador:
El eje principal gira muy lento aproximadamente 22 r.p.m., pero el generador tiene que
girar a 1500 r.p.m. la multiplicadora convierte 22 r.p.m en 1500 r.p.m por medio de un
piñón grande a uno pequeño. En realidad la multiplicadora convierte fuerza en velocidad.
4.04 Eje de alta velocidad con su freno mecánico:
El eje pequeño lleva la potencia desde la multiplicadora hasta el generador.
El eje de alta velocidad gira aproximadamente a 1.500 revoluciones por minuto (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.
4.05 Generador eléctrico:
El generador produce electricidad cuando gira. La corriente es enviada torre abajo mediante
grandes cables eléctricos.
El generador eléctrico suele llamarse generador asíncrono o de inducción. En un
aerogenerador moderno la potencia máxima suele estar entre 500 y 3000 kilovatios (KW.).
4.06 Mecanismo de orientación:
El mecanismo de orientación esta compuesto por la Veleta, el Controlador electrónico, el
Motor de orientación, y la Corona de orientación.
El viento hace que la veleta gire. Las señales de la veleta son utilizadas por el controlador
electrónico del aerogenerador para girar al aerogenerador en contra del viento, esto lo logra
enviando señales al motor de orientación La rueda dentada del motor de orientación
15
engrana con la rueda dentada grande ( Corona de orientación) y gira la góndola con el rotor
de cara al viento.
4.07 El Controlador electrónico:
El controlador es un ordenador que controla la mayoría de las partes del aerogenerador.
El controlador electrónico tiene 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 y llama al ordenador del operario
encargado de la turbina a través de un enlace telefónico mediante módem.
4.08 Radiador:
El generador se calienta mucho cuando está girando. Pero si llega a calentarse demasiado
se estropeará. La unidad de refrigeración contiene un ventilador eléctrico utilizado para
enfriar el generador eléctrico. Además contiene una unidad de refrigeración del aceite
empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores
enfriados por agua.
4.09 Anemómetro:
Se utiliza para medir la velocidad. Las señales electrónicas del anemómetro son utilizadas
por el controlador electrónico del aerogenerador para conectar el aerogenerador cuando el
viento alcanza aproximadamente 5 metros por segundo.
El ordenador parará el
aerogenerador automáticamente si la velocidad del viento excede de 25 metros por
segundo, con el fin de proteger a la turbina y sus alrededores.
4.10 Las torres de los aerogeneradores:
La torre del aerogenerador soporta la góndola y el rotor. En los grandes aerogeneradores
las torres tubulares pueden ser de acero, de celosía o de hormigón. Las torres tubulares
tensadas con vientos sólo se utilizan en aerogeneradores pequeños (cargadores de baterías,
etc.).
La mayoría de los grandes aerogeneradores se entregan con torres tubulares de acero,
fabricadas en secciones de 20-30 metros con bridas en cada uno de los extremos, y son
unidas con pernos "in situ". Las torres son tronco-cónicas (es decir, con un diámetro
16
creciente hacia la base), con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar
material.
Generalmente, el precio de la torre de la turbina eólica supone alrededor de un 20 por
ciento del costo total de la turbina. Para una torre de unos 50 metros, el costo adicional de
otros 10 metros es de unos 15.000 dólares americanos. Por lo tanto, es bastante importante
para el costo final de la energía construir las torres de la forma más óptima posible.
Generalmente,
es una ventaja disponer de una torre alta en zonas con una elevada
rugosidad del terreno, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos
del suelo. Las torres de celosía y las de mástil tensado con vientos tienen la ventaja de
ofrecer menos abrigo que una torre maciza.
Cada metro de torre cuesta dinero, por supuesto, por lo que la altura óptima de la torre es
función de: costo por metro de la torre, Cuánto varían los vientos locales con la altura
sobre el nivel del suelo, es decir, la rugosidad promedio del terreno local, El precio que el
propietario de la turbina obtiene por un KWh. adicional de electricidad. Los fabricantes
suelen servir máquinas donde la altura de la torre es igual al diámetro del rotor.
Estéticamente, mucha gente piensa que las turbinas son más agradables a la vista cuando la
altura de la torre es aproximadamente igual al diámetro del rotor.
17
5.00 Factores Económicos de los Aerogeneradores
5.01
El gráfico de arriba da una idea del rango de precios de los aerogeneradores daneses
modernos conectados a red, en febrero de 1998. Como puede ver, los precios varían para
cada tamaño de aerogenerador. Los motivos son, p.ej., las diferentes alturas de las torres y
los diferentes diámetros de rotor. Un metro extra de torre le costará aproximadamente 1.500
dólares americanos. Una máquina especial para vientos suaves con un diámetro de rotor
relativamente grande será más cara que una máquina para vientos fuertes con un diámetro
de rotor pequeño.
La instalación de un aerogenerador en lugres remotos puede llegar a los 15.000 US$, claro
esta que en este costo esta incluido el emplazamiento, transporte, y hasta carreteras que
puedan soportar camiones de 30 toneladas, además de otros.
18
Los modernos aerogeneradores están diseñados para trabajar alrededor de 120.000 horas de
operación a lo largo de su tiempo de vida de diseño de 20 años. Esto supone mucho más
que un motor de automóvil, que dura generalmente alrededor de 4.000 a 6.000 horas.
La mayoría de costes de mantenimiento son una cantidad anual fija para el mantenimiento
regular de las turbinas, aunque algunos prefieren utilizar en sus cálculos una cantidad fija
por kWh. producido,
normalmente alrededor de 0,01 dólares americanos/kWh.
El
razonamiento sobre el que se apoya este método es que el desgaste y la rotura en la turbina
generalmente aumentan con el aumento de la producción.
las turbinas marinas pueden durar más debido a la baja turbulencia en el mar. Esto puede
implicar costes menores.
Estadísticas muy extensas muestran que los fabricantes alcanzan, en consecuencia, factores
de disponibilidad de alrededor del 98 por ciento, es decir, las máquinas están preparadas
para funcionar más del 98 por ciento del tiempo. La producción de energía total se ve
generalmente afectada en menos de un 2 por ciento, dado que los aerogeneradores nunca
están en funcionamiento durante los vientos fuertes.
Un grado tan alto de fiabilidad es extraordinario, comparado con otros tipos de maquinaria,
incluyendo otras tecnologías de generación de electricidad. Así pues, el factor de
disponibilidad suele ignorarse en los cálculos económicos, dado que hay otras
incertidumbres (p.ej. la variabilidad del viento) que son mucho mayores.
la producción anual de electricidad variará enormemente dependiendo de la cantidad de
viento del emplazamiento de su turbina. Así pues, no hay un único precio para la energía
eólica, sino un rango de precios, dependiendo de las velocidades de viento.
19
6.00 Historia de los Aerogeneradores
La primera turbina eólica de funcionamiento automático para la generación de electricidad
conocida fue creada por el inventor Charles F. Brush (1849-1929). Charles fue uno de los
fundadores de la industria eléctrica americana y pionero de la turbina eólica. Esta turbina
estaba ubicada en Cleveland y fue construida en el invierno de 1887-88, con un diámetro
de rotor de 17 m. y 144 palas fabricadas en madera de cedro, La turbina funcionó durante
20 años y cargó las baterías en el sótano de su mansión. A pesar del tamaño de la turbina,
el generador era solamente un modelo de 12 KW. Esto se debe al hecho de que las turbinas
eólicas de giro lento del tipo americano de rosa de vientos no tienen una eficiencia media
particularmente alta. Fue el danés Poul la Cour (1846-1908), quien más tarde descubrió
que las turbinas eólicas de giro rápido con pocas palas de rotor son más eficientes para la
producción de electricidad que aquéllas de giro lento. Poul la Cour fue uno de los pioneros
de la moderna aerodinámica,
construyó su propio túnel de viento para realizar
experimentos, y diseño dos aerogeneradores de prueba en 1897 en el instituto de Askov
Folk, Askov (Dinamarca). Poul la Cour también publicó la primera revista de electricidad
eólica del mundo. La Cour impartía cada año diversos cursos para electricistas eólicos en
el instituto Folk de Askov.
En 1918 unas 120 empresas públicas locales tenían un
aerogenerador, generalmente del tamaño de 20 a 35 KW.
haciendo un total de 3
megavatios de potencia instalada. Estas turbinas cubrían alrededor de un 3 por ciento del
consumo de electricidad de Dinamarca en aquel momento. Sin embargo, el interés danés
en la energía eólica decayó en los años siguientes, aunque una crisis de suministro durante
la Segunda Guerra Mundial hizo que se afianzara.
20
Durante la segunda guerra mundial, la compañía danesa de ingeniería F.L. Smidth (ahora
un fabricante de maquinaría para la industria cementera) construyó diversos
aerogeneradores bi y tripala. Sí, de hecho los fabricantes daneses han fabricado realmente
aerogeneradores bipala, aunque el denominado "concepto danés" se refiere a una máquina
tripala. Todas estas máquinas (al igual que sus predecesoras) generaban CA (corriente
alterna).
El ingeniero Johannes Juul fue uno de los primeros alumnos de Poul la Cour en sus cursos
para "electricistas eólicos" en 1904. En los años 50, J. Juul llegó a ser un pionero en el
desarrollo de los primeros aerogeneradores en el mundo de corriente alterna en Vester
Egesborg, Dinamarca.
El innovador aerogenerador de Gedser, situada en el extremo sur de las islas de Faslter en
Dinamarca de 200 KW. fue construido en 1956-57 por J. Juul para la compañía eléctrica
SEAS en la costa de Gedser, en la parte sur de Dinamarca. La turbina tripala con rotor a
barlovento,
con orientación electromecánica y un generador asíncrono fue un diseño
pionero de los modernos aerogeneradores, aunque su rotor con cables de acero parezca
actualmente algo pasado de moda.
La turbina disponía de regulación por pérdida
aerodinámica, y J. Juul inventó los frenos aerodinámicos de emergencia en punta de pala,
que se sueltan por la fuerza centrífuga en caso de sobre velocidad. Básicamente, el mismo
sistema es hoy en día utilizado en las modernas turbinas de regulación por pérdida
aerodinámica. La turbina, que durante muchos años fue la más grande del mundo, fue
increíblemente duradera. Funcionó durante 11 años sin mantenimiento.
Después de la primera crisis del petróleo de 1973, muchos países despertaron su interés en
la energía eólica. En Dinamarca, las compañías de energía dirigieron inmediatamente su
atención a la construcción de grandes aerogeneradores, al igual que sus homólogos de
Alemania, Suecia, el Reino Unido y los EE.UU.
En 1979 construyeron dos aerogeneradores de 630 KW. ( Turbinas Nibe),
regulación por cambio del ángulo de paso,
aerodinámica.
uno con
y el otro de regulación por pérdida
En muchos sentidos corrieron la misma suerte que sus colegas del
extranjero, que eran incluso de mayor tamaño: Las turbinas resultaron extremadamente
21
caras y, en consecuencia, el alto precio de la energía devino un argumento clave en contra
de la energía eólica.
En la década de los 80´s un carpintero,
Christian Riisager,
construyó un pequeño
aerogenerador de 22 KW. en su propio jardín utilizando el diseño del aerogenerador de
Gedser como punto de partida. Utilizó componentes estándar que no resultaban caros (p.ej.
un motor eléctrico como generador, partes de un vehículo como multiplicador y freno
mecánico) donde le fue posible.
La turbina de Riisager resultó ser un éxito en muchas casas particulares de Dinamarca, y su
éxito proporcionó la inspiración para que los actuales fabricantes daneses de
aerogeneradores empezasen a diseñar sus propios aerogeneradores a partir de los 80.
Finalmente, las versiones mejoradas en el diseño de la clásica turbina tripla de Gedser
corriente arriba fueron lasque obtuvieron mucho mas acogida en el mercado.
La máquina Bonus 30 KW., fabricada desde 1980, es un ejemplo de uno de los primeros
modelos de los fabricantes actuales. Al igual que la mayor parte del resto de fabricantes
daneses, la compañía se dedicaba inicialmente a la fabricación de maquinaría agrícola. El
diseño básico de estas máquinas se desarrolló mucho más en las siguientes generaciones de
aerogeneradores.
Las siguientes turbinas son del orden de los megavatios. El prototipo de la turbina NEG
Micon 1500 KW. fue puesto en funcionamiento en septiembre de 1995. El modelo original
tenía un diámetro de rotor de 60 metros y dos generadores de 750 kW funcionando en
paralelo. La versión más reciente es un modelo 1.500/750 kW. (Con dos generadores de
750 kW.) con un diámetro de rotor de 64 m. El prototipo de la turbina Vestas 1500 KW.
fue puesto en funcionamiento en 1996. El modelo original tenía un diámetro de rotor de 63
metros y un generador de 1.500 kW. La versión más reciente tiene un diámetro de rotor de
68 metros y un generador doble de 1650/300 kW.
Las máquinas del tamaño de megavatios son ideales para las aplicaciones marinas, y para
las áreas donde escasea el espacio para emplazarlas, pues una máquina de un megavatio
explotará mejor los recursos eólicos locales.
La ultima generación de aerogeneradores es la de los multimegavatios. El prototipo de la
turbina NEG Micon 2 MW. fue puesto en funcionamiento en agosto de 1999. Esta multi
22
mega maquina posee un rotor de 72 m de diámetro y está montado sobre una torre de
aproximadamente 68 metros. El prototipo de la turbina Bonus 2 MW. fue puesta en
funcionamiento en otoño de 1998. Tiene un diámetro de rotor de 72 metros y está montado
sobre una torre de 60 m. La turbina está pensada para aplicaciones marinas, y dispone de
un control de potencia "Combi Stall" (una marca registrada de Bonus para la regulación
activa por pérdida aerodinámica). Esta máquina se parece bastante a las máquinas Bonus de
1 MW. y 1,3 MW.
El prototipo de la turbina Nordex 2,5 MW
fue puesto en
funcionamiento en la primavera de 2000. El diámetro de rotor del aerogenerador es de 80
m y tiene una altura de torre de 80 m. La turbina dispone de un control por variación del
ángulo de paso.
23
7.00 Impacto ambiental
Tratar el aspecto del impacto visual que pueden tener las turbinas o mejor dicho los parques
eólicos puede llegar a ser una tarea sencilla, claro está que hay que tener en cuenta el
entorno, y esta comprobado que una geometría simple, con una distribución simétrica y
equidistante de los aerogeneradores puede llegar a ser muy agradable y estético para la
vista, por ejemplo si el paisaje es en su mayoría una extensión plana, los aerogeneradores
deberían situarse a lo largo de una línea recta. Otras veces si el entorno contiene formas lo
mejor es tratar de seguir esta Forma, por ejemplo si hay una bahía, el emplazamiento de
las turbinas debería hacerse siguiendo la forma que tiene esta.
En paisajes con fuertes pendientes, rara vez es viable la utilización de un patrón simple, y
suele ser mejor hacer que las turbinas sigan los contornos de altitud del paisaje, o los
cercados u otras características del paisaje. Cuando las turbinas están situadas en varias
filas, rara vez es posible percibir la distribución cuando se mira el parque desde una altura
de los ojos normal. Sólo si nos situamos al final de una fila, aparece realmente como una
distribución ordenada.
Otra manera de hacer que los aerogeneradores no afecten tanto es pintándolos gris claro,
esto lograra una mayor confusión con el paisaje.
El ruido o sonido en los aerogeneradores no es un problema principal en cuanto al impacto
en el medio ambiente ya que los nuevos modelos de aerogeneradores son mas silenciosos,
gracias a ciertos tipos de diseños como es el de la punta de pala más silenciosas, se gastan
en aumentar ligeramente la velocidad en punta de pala (la velocidad del viento medida en la
punta de la pala) y, por tanto, a aumentar la energía producida por las máquinas (y menos
energía se dispersa en forma de ruido). Por otro lado los vecinos mas cercanos a los
24
aerogeneradores se encuentran a una distancia mínima a unos 7 diámetros del rotor,
aproximadamente 300 m. En ultimas, el ruido de fondo: El ruido enmascarador ahoga el
ruido de la turbina. Ningún paisaje está nunca en silencio absoluto. Por ejemplo, las aves y
las actividades humanas emiten sonidos y, a velocidades de viento de alrededor de 4-7 m/s.
y superiores, el ruido del viento en las hojas, arbustos, árboles, mástiles, etc. enmascarará
(ahogará) gradualmente cualquier potencial sonoro de los aerogeneradores. Esto hace que
la medición del sonido de los aerogeneradores de forma precisa sea muy difícil.
Generalmente, a velocidades de 8 m/s y superiores llega a ser una cuestión bastante
abstrusa el discutir las emisiones de sonido de los modernos aerogeneradores, dado que el
ruido de fondo enmascarará completamente cualquier ruido de la turbina.
Las aves que a simple vista se creería que corresponderían a un choque frecuente de estas
con los aerogeneradores, resulta ser todo lo contrario, gracias a Estudios de radar en
Tjaereborg, en la parte occidental de Dinamarca, donde hay instalado un aerogenerador de
2 MW. con un diámetro de rotor de 60 metros, se conoció que las aves (bien sea de día o
de noche) tienden a cambiar su ruta de vuelo unos 100-200 metros antes de llegar a la
turbina, y pasan sobre ella a una distancia segura. Representa mas peligro para las aves,
líneas aéreas de alta tensión,
mástiles,
postes y ventanas de edificios.
El único
emplazamiento conocido en el que existen problemas de colisión de aves está localizado en
Altamont Pass, en California. Incluso allí, las colisiones no son comunes, aunque la
preocupación es mayor dado que las especies afectadas están protegidas por ley. La
mayoría de las aves se acostumbran rápido a los aerogeneradores, incluso hay casos donde
cierto tipo de halcones han anidado en los aerogeneradores.
De todas maneras se
acostumbra a situar los parques eólicos fuera de las rutas migratorias de las aves.
La energía eólica es una de las fuentes de energías más limpias que existen, si hacemos una
tabla de comparación donde aparezca las emisiones y los residuos de algunas de las fuentes
de energía mas comunes considerando también las emisiones del periodo de construcción
en los equipos podremos ver esto en forma mas explicita.
25
7.01
Podemos notar que aunque en el Total o la suma de valores pueden haber formas muy
contaminantes con un valor parecido al de la eólica (como la nuclear), no se compara con
el hecho de que la eólica produce solo muy pocas emisiones de CO2. y esto es en el
proceso de construcción e instalación de los aerogeneradores y el aceite de los engranajes.
26
8.00 Potencial eólico Colombiano
la zona colombiana que tiene un mayor potencial eólico se encuentra en la Costa Atlántica.
La siguiente información sobre la velocidad media horaria para de los vientos para cada
localidad fue realizada por el HIMAT ( Instituto Colombiano de Hidrología, Meteorología
y Adecuación de Tierras). Esta Institución emplea en la mayoría de los sitios anemógrafos
mecánicos Lambrecht-Woelfle que registran la dirección y recorrido del viento.
27
8.01 Estaciones con información de viento en la Costa Atlántica
LEYENDA
28
De acuerdo con los resultados tomados por las diferentes estaciones en la siguiente tabla se
muestran las 6 localidades de mayor potencial en el país de mayor a menor potencial por
año.
8.02
29
Conclusiones
El aprovechamiento de los recursos renovables de nuestro planeta como es la energía eólica
es de las cosas más importantes que sucedió en el siglo xx y esta sucediendo en este,
aunque todavía no sea a gran escala,
es un comienzo muy importante para tomar
conciencia de la actual situación ambiental de nuestro planeta y no dejarla pasar
desapercibido sin encaminar acciones bien sea para regenerarlo o al menos no dejar que
esta situación de contaminación continúe.
La energía eólica es gratis, por lo tanto montar un parque eólico o al menos una turbina en
lugares donde existe un buen potencial eólico constante o aunque sea durante varios meses
tendría una rentabilidad excelente y los costos que pueda generar se recuperarían en un
periodo de tiempo aproximado de dos años (dependiendo del costo por kW/h. y potencial
eólico de la localidad) contra una vida útil de unos 20 años o más.
30
Bibliografía
http://www.infoeolica.com
http://www.windpower.org
http://sky.net.co/energia/Wind_power.htm
II CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA, “LA UNIVERSIDAD UNA PROPUESTA PARA EL FUTURO”,
Bogotá, Marzo 24 al 28 de 2003, CONFERENCIA: Energía Solar y Eólica,
HUMBERTO RODRÍGUEZ U. Nacional.
GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN LA COSTA ATLÁNTICA CON
AEROGENERADORES, Humberto RODRÍGUEZ M., U. Nacional.
31