Generar energía eléctrica, mediante la construcción de un generador eólico empleando energía eólica, a través del movimiento de masas de aire.

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CAPITULO I 1.1 INTRODUCCIÓN

Hoy en día la energía eléctrica es muy indispensable en la vida cotidiana de los seres humanos, además existen diferentes tipos de energía como la solar, la hidráulica, la térmica o la eólica y es por eso que el hombre ha implementado nuevas estrategias para poder producir energía eléctrica , en este y en muchos otros casos, el aprovechamiento de las distintas fuentes de energías naturales se han procesado de manera muy eficiente a través de diversos dispositivos creados para generar energía eléctrica, la energía eólica no es algo nuevo, es una de las energías más antiguas. El viento como fuerza motriz existe desde la antigüedad y en todos los tiempos se ha utilizado como una ventaja, ya sea para impulsar barcos o hasta como lo ya mencionado, el generar energía eléctrica. A lo largo de este apartado se mencionara que este tipo de energía trae consigo un importante ahorro económico en algunas industrias que se basan en esta ventaja que les brinda la madre naturaleza, no podemos decir que es de gran impacto económico ya que en algunos lugares o partes del mundo está prohibido llevar a la práctica este tipo de implementaciones, ya que para las industrias proveedoras de energía eléctrica de alguna otra manera no les es conveniente el que el ser humano desarrolle o aplique este método aprovechando la energía eólica. Así como estos y otros aspectos importantes, se llevara a su mención a lo largo de todo este apartado, dando a conocer las consecuencias y causas que trae consigo el implementar y procesar la energía eólica, así como también futuras aplicaciones relacionadas con el aprovechamiento de la energía eólica. El implementar estrategias de este tipo puede llevar a la mejora del medio ambiente y resguardo de la biodiversidad de nuestro planeta, en pocas palabras el implementar la energía eólica da como consecuencia una mejor calidad ambiental para nosotros.

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1.2 RESUMEN

Se diseñó y construyó un generador eólico para poder emplearlo en lugares en los cuales no se cuenta con energía eléctrica, además se pretende no seguir contaminando nuestro planeta por lo que emplea energía eólica obtenida del aire. Para lograr este cometido se realizó una investigación sobre los distintos temas como energía eólica, que es un generador para identificar los elementos que lo componen y su lógica de funcionamiento. De forma paralela, se efectuó la búsqueda de materiales y elementos en establecimientos que comercializan de electricidad, para identificar aquellos que podrían ser utilizados al momento de la implementación de nuestro prototipo. Este generador eólico, se conforma de un motor, el cual es capaz de generar la electricidad debido al giro de su rotor provocado por movimiento de las aspas de un ventilador debido a las masas de aire que se generan, además se muestran los componentes, los cuales están colocados de acuerdo a los diagramas que se presentan, con ello se pretende su fácil localización y funcionamiento de cada uno de los elementos que componen el sistema. Todo lo anterior está colocado en dimensiones adecuadas, permitiendo con ello, que toda aquella persona que tenga previos conocimientos, pueda ponerlos en práctica, y que todo aquel que no esté familiarizado pueda conocer los principales componentes de un generador eólico y como puede funcionar.

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1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Hoy en día podemos encontrar que en una gran parte de nuestro territorio existen lugares en los cuales es difícil el acceso a una red eléctrica o si se cuenta con este recurso en ocasiones suele suceder que se nos va la energía eléctrica o podemos considerar que día a día contaminamos más a nuestro planeta y pues lo estamos destruyendo, es por esta razón se determinó diseñar y construir un generador eólico convencional el cual funciona a través de masas de aire, es decir a través de energía eólica para generar energía eléctrica con el cual se pretende beneficiar a la sociedad o en particular a quienes no cuentan con acceso a esta fuente de energía y hacer que de manera directa se pueda mejorar su nivel de vida. Además si consideramos que hoy en día nuestro planeta sufre una gran contaminación debido a todos los efectos producidos por las diferentes empresas que utilizan gases peligrosos y producen por mencionar uno de los efectos más peligrosos que es la destrucción de la capa de ozono y el efecto invernadero, con lo antes mencionado para la elaboración de nuestro prototipo pretendemos utilizar fuentes de energía limpias que no contaminen a nuestro medio ambiente en este caso abarcaremos la energía eólica que es una fuente de energía limpia , un recurso renovable, que la podemos obtener a través del aire ,además no produce ningún efecto o daño a nuestro ecosistema, es por ello y para poner a prueba todos nuestros conocimientos como estudiantes de ingeniería y llevarlos a la práctica decidimos hacer uso de este recurso para emplearlo en la elaboración de nuestro generador.

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1.4

OBJETIVO GENERAL

Generar energía eléctrica, mediante la construcción de un generador eólico empleando energía eólica, a través del movimiento de masas de aire.

1.4.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1.-Describir la energía eólica y su alcance en el mundo. 2.-Describir que es un generador eólico. 3.-Conocer el principio de funcionamiento de un generador eólico. 4.-Describir los tipos de generadores y maquinas eólicas utilizados en la generación de electricidad.

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1.5

JUSTIFICACION

La energía eólica es una fuente inagotable que puede ser usada para genera energía limpia y a bajos costos de operación. Esta energía se usa para mover generadores eléctricos, con estos generadores se busca mejorar significativamente la excitación de la energía cinética que es de bajo mantenimiento con lo cual se contribuye para bajar los costos de operación. Diversos autores han estudiado modelos matemáticos para los sistemas eólicos, así como la calidad de la energía eléctrica en lo que respecta al contenido armónico. Se ha demostrado que la fluctuación en la tensión debido a las variaciones de velocidad en el viento y el contenido de armónicos puede ser minimizada utilizando convertidores electrónicos de potencia, que controlados adecuadamente, permiten al sistema eólico extraer la máxima energía cinética del viento. Los modernos sistemas de aprovechamiento de energía eólica de velocidad variable, utilizan como interfaces convertidores electrónicos de potencia, capaces de desacoplar su frecuencia de trabajo con respecto a la frecuencia de la red eléctrica. Con la utilización de interfaces de electrónica de potencia en los sistemas eólicos se permite mejorar la eficiencia del proceso de conversión de energía, lo que, conjugado con la creciente relación calidad/precio de los equipamientos de electrónica de potencia, permite esperar que su penetración como componente de los sistemas eólicos sea cada vez más significativa.

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1.6

ALCANCES

1.- Dar a conocer la importancia de la energía eólica 2.- Conocer los tipos de generadores eólicos, ventajas y desventajas. 3.- Mostrar cómo generar energía eléctrica a través de la construcción de un pequeño generador. 4.-Conocer la partes principales de los generadores eólicos y funcionamiento

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1.7 LIMITACIONES

Falta de equipo para realizar diferentes pruebas en nuestro prototipo como: generacion de voltaje que suministra, intensidad de corriente electria. Para construir un mejor generador eolico no se logro aun asi se realizo una buena representacion, ya que el tiempofue un factor muy importante ya que no nos permitio realizar unmejor proyecto. Otra limitacion muy importante fue el factor economico ya que algunas piezar para contruir nuestro generador son demasiadas costosas y ademas no son faciles de conseguir debido a su ecomomia.

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CAPITULO II: GENERALIDADES 2.1 ANTECEDENTES DE LA ENERGÍA EÓLICA

A través de grabados pertenecientes a civilizaciones muy antiguas, se ha podido comprobar que elaprovechamiento del viento con fines energéticos se remonta a por lo menos 3000 años antes de la era cristiana, habiendo sidoutilizado en aquellos tiempos principalmente para la navegación. Diferentes pueblos, desde los egipcios pasando por los Fenicios, Romanos y muchos otros utilizaron esta forma de impulsión. Los datos más antiguos de artefactos que aprovechaban el viento para otro tipo de actividades (p.e.molienda de granos) aparecen en Persia, alrededor de los años 200 antes de Cristo. Se cree que en siglo XIII esas máquinas fueron introducidas en Europa por quienes retornaban de las cruzadas.1 Las primeras máquinas equipadas con generadores eléctricos, hacen su aparición hacia 1900. Durante la primera mitad del siglo, a pesar de que no hubo una activa utilización de la energía eólica, se produjeron gran variedad de diseños cuyos principios fundamentales son válidos hasta el presente.Desde la década del 30 y hasta comienzos de la del 50 se popularizaron máquinas de pequeño porte (hasta unos 3kW) en el medio rural, donde todavía no existía un sistema de electrificación por redes que cubriera amplias zonas. Se tiene conocimiento de que la primera forma de utilización de la energía del viento para beneficio del hombre fue para impulsar los barcos en el Río Nilo hace 5000 años. Mucho más tarde los europeos la usaron para moler granos y para extraer agua en los siglos XVIII y XIX. El primer molino de viento para generar energía eléctrica fue instalad en Estados Unidos en 1890.Hoy en día, grandes plantas de generación eólica están compitiendo con centrales eléctricas en el suministro económico de energía limpia en muchas partes del mundo. El promedio del tamaño de las turbinas de las instalaciones eólicas había sido de 300kW hasta hace poco.Nuevas MÁQUINAS de 500kW y hasta 1MW de capacidad 1

http://www.inti.gob.ar/e-renova/erTO/pdf/libro_energia_eolica.pdf

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA han sido desarrolladas y están empezando a ser instaladas.Prototipos de turbinas eólicas de algunos cuantos MW están bajo pruebas en algunos países incluido EU.El mejoramiento de los diseños de las turbinas y las plantas de utilización han contribuido a la disminución en gran escala de los costos de generación eólica de 35 centavos de dólar por kWh en 1980, y ahora el costo es fácilmente de 5 ó 6 centavos por kWh en 2008 en lugares favorables. A este precio, la energía eólica ha llegad o a ser una de las fuentes de energía de más rentables. El costo de la unidad de energía producida en instalaciones eólicas se deduce de un cálculo bastante complejo. Para su evaluación se deben tener en cuenta diversos factores entre los cuales: El coste inicial o inversión inicial, el costo del aerogenerador incide en aproximadamente el 60 a 70%. El costo medio de una central eólica es de 1.000 dólares por kW de potencia instalada, variable desde 1250 USD/kW para máquinas con unos 147 kW de potencia, hasta 880 USD/kW para máquinas de 600 kW. Debe considerarse la vida útil de la instalación (aproximadamente 20 años) y la amortización de este costo; Los costos financieros; Los costos de operación y mantenimiento (variables entre el 1 y el 3% de la inversión); La energía global producida en un período de un año. Esta es función de las características del aerogenerador y de las características del viento en el lugar donde se ha instalado. Algunos de los factores han acelerado el desarrollo tecnológico de la generación eólica como lo son: •Compuestos de fibra de alta resistencia para la construcción grandes aspas a bajo costo. •Disminución de precios de la electrónica de potencia. •Velocidad de operación variable de generadores eléctricos para obtener la máxima energía. •Mejoramiento del funcionamiento de la planta, impulsando la disponibilidad de hasta el 95%. •Economía de escala, como las turbinas y las plantas son más grandes entamaño el costo de producción se reduce. Los nuevos generadores acoplados a las turbinas de viento en la actualidad se diseñan de tal forma que se elimina la necesidad de complejos mecanismos de engranes con lo que se logra un abatimiento significativo en costo y peso. Desde el punto de vista ambiental, el viento representa una fuente de energía extremadamente limpia y sustentable, ya que el único impacto ambiental negativo que se le puede atribuir es el ruido y la posible muerte de aves que chocan con las

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA aspas del rotor aunque estos males son muy bajos en comparación con otros sistemas hechos por el hombre que interactúan con el medio ambiente. Sin embargo, se esta se está trabajando en nuevos diseños de generadores eólicos con menores niveles de ruido y con aspas más visibles para los pájaros. La energía eólica se destaca como una de las más prometedoras fuentes de energía a corto plazo. Por eso muchos países promueven el desarrollo tecnológico de la generación eólica a través de programas nacionales e incentivos de mercado.La Agencia Internacional de Energía (IEA), con el financiamiento 14 países, apoya la investigación conjunta de proyectos y el intercambio sobre desarrollo acerca de la generación eólica, estos países son: Austria, Canadá, Dinamarca, Finlandia, Alemania, Italia, Japón, Holanda, Nueva Zelanda, Noruega, España, Suiza y los Estados Unidos.

2.2 ENERGÍA EÓLICA

Energía eólica es la energía obtenida del viento, o sea, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en otras formas útiles para las actividades humanas. La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde2.

2.2.1 VENTAJAS DE LA ENERGÍA EÓLICA

• Es renovable ya que tiene su origen en procesos atmosféricos • Es limpia ya que no produce emisiones atmosféricas ni residuos contaminantes. • No requiere combustión, es decir que no genera emisiones de dióxido de carbono, por lo que no contribuye al incremento del efecto invernadero ni al cambio climático. • Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines, por ejemplo en zonas desérticas, próximas a la costa, en zonas áridas y muy empinadas para ser cultivables. • Puede convivir con otros usos del suelo, como por ejemplo cosechas o tierras donde se lleve a cabo la actividad ganadera.

Fernández, C (2009) “Energías renovables en Argentina: el Caso de la Energía Eólica y sus Avances en Materia Regulatoria” 2

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA • Su utilización combinada con otro tipo de energía, habitualmente la solar, permite la auto-alimentación de viviendas, terminando así con la necesidad de conectarse a la red eléctrica, pudiendo lograr autonomía.

2.2.2 DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA EÓLICA

• El ruido producido por el giro del rotor o el roce de las aspas con el aire puede generar contaminación acústica, produciendo un impacto negativo en el contexto. Sin embargo, se debe tener en cuenta que el ruido es proporcional al tamaño del aerogenerador, por lo que un generador de baja potencia no producirá cambios notables. Además, cabe recordar que dicho artefacto se ubica a una distancia prudencial de la vivienda a alimentar (aproximadamente 200 metros) lo que disminuye aún más la posibilidad de generar un impacto negativo en los usuarios. • Comparada con las fuentes convencionales de energía, principalmente con la conexión a red, la eólica presenta costos elevados, sobre todo si se tiene en cuenta la inversión inicial. • Al utilizar como recurso energético el viento, se debe considerar que esté no es constante, por lo que no es recomendable utilizarla como única fuente de energía. A pesar de ello, gracias a los bancos de baterías desarrollados recientemente, la autonomía de los equipos eólicos domésticos ha aumentado en gran medida3.

2.3 POTENCIAL EOLICO EN MÉXICO

El viento como tal es una manifestación energética de naturaleza aleatoria, ya que su velocidad, dirección y presencia varía con las regiones geográficas, las horas del día, los meses del año y la altura de los generadores de viento. Esta es la principal razón por la cual no se recomienda usar esta fuente de energía en forma única para la alimentación de cargas remotas.Por lo tanto, será necesario aprovechar la energía eólica cuando se encuentre disponible, ya sea almacenándola en bancos de baterías o bien entregándola a la red de distribución de la empresa suministradora.

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Publicación de la Secretaría de Energía (2008) “Energía Eólica”

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA En México existen importantes manifestaciones eólicas en áreas geográficas puntuales entre las que destacan, por su importancia,los estados de Oaxaca, Hidalgo, Zacatecas, Guerrero y la península de Baja California. Hoy en día los sistemas híbridos que operan en el país, la mayoría cuenta con generadores eólicos.En adición a lo anterior, en 1994 se construyo la primera central eólica en el estado de Oaxaca, la cual tiene las siguientes características: 7 aerogeneradores de 225 kW cada uno 60 metros de separación entre aerogeneradores Diámetro de las aspas 27 metros Torres tubulares de 31.5 metros de altura Velocidad mínima de operación: 5 metros/segundo Promedio de velocidad en Ventosa: 7 metros/ segundo Velocidad para máxima potencia: 15 metros / segundo Tiempo de construcción de la central: 8 meses (enero a agosto de 1994) Energía generada los primeros 6 meses: 4GWH Voltaje de generación: 480 volts La energía generada se descarga a una red de distribución de CFE de 13.8 KV En los primeros seis meses de operación se ahorraron 10000 barriles de petróleo lo que significa que en los primeros seis meses de operación se dejaron de emitir a la atmosfera 2000 toneladas de bióxido de carbono. La central La Venta II está localizada en la región sur del Istmo de Tehuantepec, al norte del ejido La Venta, municipio de Juchitán de Zaragoza; aproximadamente a 310 km al Este-Sureste de la Ciudad de Oaxaca. La central se construyó bajo la modalidad de Obra Pública Financiada y tuvo un plazo de ejecución de 16 meses. Entre sus principales características están las siguientes4 : 98 aerogeneradores de 850 KW cada uno 130 metros de separación entre aerogeneradores Diámetro de las aspas 52 metros Torres tubulares de 44 metros de altura Velocidad mínima de operación: 4 metros/segundo Velocidad para máxima potencia: 15 metros / segundo Tiempo de construcción de la central: 16 meses (2006-2007) Energía generada los primeros 6 meses: 125.210 GWH Voltaje de generación: 690 volts 4

Página electrónica de Comisión Federal de Electricidad CFE, http://www.cfe.gob.mx/

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA La energía generada se descarga a una red de distribución de CFE de 34.5 KV La producción anual de la central La Venta II se ha estimado en 307.7 GWh, cuya incorporación a la red eléctrica de CFE evitará emisiones de CO2 a la atmósfera estimadas en más de 180,000 toneladas por año. México registró este proyecto en el Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) en el marco del Protocolo de Kyoto para contribuir a la mitigación del cambio climático. La Comisión Federal de Electricidad (CFE) informo que dio inicio el desarrollo de la central eólica La Venta III, que tendrá una capacidad de generación de 101 megawatts (MW) y se localizará en el estado de Oaxaca, desde donde se interconectará al Sistema Eléctrico Nacional. La central eólica La Venta III constará de 121 aerogeneradores de 850 kilowatts de potencia cada uno, con una altura de 44 metros y con su capacidad de generación se evitará la emisión de 150 mil toneladas anuales de bióxido de carbono a la atmósfera 5. En la actualidad, en México existen solamente mediciones puntuales del potencial eólico del país, susceptible de ser aprovechado para la generación eléctrica.Estas mediciones provienen de pequeñas redes anemométricas que han confirmado la existencia de manifestaciones eólicas aprovechables, tanto desde el punto de vista técnico como económico,en las siguientes regiones: Oaxaca Esta región cubre un área aproximada de 2000 kilómetros cuadrados en la que, debido a fenómenos monzonicos entre los golfos de México y de Tehuantepec originados por corrientes marinas calientes que dan lugar a gradientes térmicos y de presión, causando la presencia de fuertes vientos prácticamente constantes de octubre a abril.En esta región el potencial eólico es de 3000 MW y los factores decarga anuales esperados son del 60%. Esta aseveración ya fue confirmada con los primeros meses de operación de la central Eoloeléctrica de la Venta en los que obtuvo un factor de planta real de 57.98%.6 Península de Yucatán La exposición de la península a los vientos alisios de primavera y de verano, la presencia de nortes en la época invernal, las permanentes e intensas corrientes 5

Página electrónica de Comisión Federal de Electricidad CFE, http://saladeprensa.cfe.gob.mx

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Caldera ME (2000) Potencial de la energía eoloeléctrica en México. Greenpeace México. pp. 16-17.

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA marinas entre Playa del Carmen y la isla Cozumel representan un importante potencial eólico de hasta 100 MW. Región centro norte Esta región cubre desde los estados de Durango y Zacatecas hasta Hidalgo y Tlaxcala. En toda esta región es posible lograr un potencial del orden de los 400 MW. En conclusión, a pesar de la falta de información confiable sobre el recurso eólico de México es factible, en los próximos 20 años, lograr una capacidad instalada de 5000 MW, mismos que con un factor de planta promedio anual de 40% pueden generar 17520 GWH anuales, los cuales servirían para dejar de quemar 43.8 millones de barriles de petróleo y no se emitieran 876 toneladas de bióxido de carbono a la atmosfera.

Fig. 1.1 Mapa de recurso eólico por escala de utilidad aplicación

2.4 ENERGIA EÓLICA EN EL MUNDO

Alemania es el país líder del mundo en energía eólica (con 20.622 MW instalados). Un tercio de la energía eólica del mundo se está generando en este país, que en 2005 inicio la construcción de su primera planta eólica marina alemana en el Mar del Norte en la Isla Borkum. El crecimiento medio anual del mercado europeo de la energía eólica es de un 35%. Además Europa aporta el 75% de la

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA energía eólica mundial, con Alemania y España como países líderes. El mercado eólico ha ayudado a generar en la Unión Europea (UE) más de 50.000 puestos de trabajo. El desarrollo de energía eólica en Latinoamérica está en sus comienzos, llegando la capacidad instalada en varios países a un total de alrededor de 473 MW 7. Esto se aprecia en la tabla siguiente:

Tabla 1.1 capacidad instalada por país de energía eólica en el mundo8

2.5 GENERADORES EOLICOS

Un generador eólico es un dispositivo mecánico que convierte la energía del viento en electricidad. Los generadores eólicos están diseñados para convertir la energía del movimiento del viento (energía cinética) en la energía mecánica, movimiento de un eje. Luego en los generadores de la turbina, ésta energía

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Wikipedia la enciclopedia libre, http://es.wikipedia.org/wiki/Energía_eolica

8

http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia37/HTML/articulo05.htm

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA mecánica se convierte en electricidad. La electricidad generada se puede almacenar en baterías, o utilizar directamente.9 Los aerogeneradores conectados a la red suelen ser de potencias bajas y medias, los más pequeños van de 5 kW y los de mayor capacidad actualmente son de 750 y 1000 kW cada uno. En la figura 1.2 se muestran los tipos de generadores eólicos que se fabrican en la actualidad, independientemente de su tamaño físico y su capacidad en kW. Tipos de generadores

Eje vertical

Sistema Darrieus

Eje horizontal

Paso de pala fijo

Rotor a sotavento o

Rotor a barlovento

Paso de pala variable

Rotor a sotavento

Rotor a barlovento

Fig. 1.2 Tipos de generadores eólicos que se fabrican en la actualidad . Rotor a barlovento: el viento incide primero sobre el palmo del rotor y posteriormente sobre la torre de sustentación, con lo cual se minimiza el efecto de sombra sobre el rotor, y la aparición de vibraciones y esfuerzos de fatiga sobre las palas del rotor. Este tipo de disposición requiere un rotor más rígido y más alejado de la torre a fin de evitar interferencias entre lo álabes del rotor y la torre debido a la flexión de los mismo por el esfuerzo de empuje del viento. Este rotor, a diferencia del rotor a sotavento, necesita un sistema de orientación que mantenga siempre el plano de giro de rotor orientado perpendicularmente a la dirección del viento. Rotor a sotavento: No requieren ningún tipo de dispositivo de orientación. Su desventaja radica en los efectos de sombra de la góndola y de la torre sobre las palas del rotor con la consiguiente pérdida de potencia y aumento de tensiones de 9

Para más información ir: http://www.microm.com.mx/ES/Documents/Hojas%20t%C3%A9cnicas/Generadores%20e%C3%B3 licos.pdf

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA fatiga, además, se pueden producir enrrollos en el cable conductor que transporta la energía producida por el generador situado en la góndola que gira libremente.10 Los generadores eólicos más comunes son los de eje horizontal, es conveniente mencionar las diferencias más importantes entre estos y los de eje vertical. Las ventajas más significativas son las de tipo estructural, debido a la forma de sujeción de las palas; además los aerogeneradores de eje vertical no requieren orientación alguna, debido a la simetría de las palas que permite aprovechar vientos de cualquier dirección, así como instalar el generador en tierra con una menor complejidad a la hora de realizar el mantenimiento.

2.6 PRINCIPALES COMPONENTES DE UN GENERADOR ELÉCTRICO 2.6.1 GENERADOR

Un generador eléctrico es una máquina eléctrica rotativa que transforma la energía mecánica en energía eléctrica, está basado en una máquina de inducción electromagnética. Lo consigue gracias a la interacción de los dos elementos principales que lo componen: la parte móvil llamada rotor y la parte estática denominada estator en la figura 1.3 se muestran estos dos componentes.

2.6.1.1 ESTATOR Un estator es una parte fija de una máquina rotativa, la cual alberga una parte móvil (rotor), en los motores eléctricos el estator está compuesto por un imán natural (en pequeños motores de corriente continua) o por una o varias bobinas montadas sobre un núcleo metálico que generan un campo magnético en motores más potentes y de corriente alterna, también se les llama inductoras.

2.6.1.2 ROTOR

Es la parte de la máquina que realiza el movimiento rotatorio, constituido de un material ferromagnético envuelto en un enrollamiento llamado de "enrollamiento de campo", que tiene como función producir un campo magnético constante así como 10

http://tipos-de-energia.blogspot.mx/2006/02/energa-elica-tipos-de-generadores

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA en el caso del generador de corriente continua para interactuar con el campo producido por el enrollamiento del estator. La tensión aplicada en ese enrollamiento es continua y la intensidad de la corriente soportada por ese enrollamiento es mucho más pequeño que el enrollamiento del estator, además de eso el rotor puede contener dos o más enrollamientos, siempre en número par y todos conectados en serie siendo que cada enrollamiento será responsable por la producción de uno de los polos del electroimán.11 Los generadores que se utilizan pueden ser síncronos o asíncronos, siendo estos últimos los más empleados en las máquinas eólicas. En los generadores síncronos, la conversión de la energía mecánica en eléctrica se produce a una velocidad constante llamada de sincronismo. El campo magnético es creado por las bobinas enrolladas en los polos del rotor, para lo cual, dichas bobinas debe circular una corriente eléctrica continua. Para producir esta corriente continua pueden emplearse diferentes sistemas de excitación: Autoexcitación estática. La corriente proviene de la propia energía eléctrica generada previamente transformada de alterna en continua. Excitación con diodos giratorios. Se crea una corriente alterna invertida, con polos en el estator y se rectifica por un sistema de diodos situados en eje común. Excitación auxiliar. La corriente necesaria se produce mediante un generador auxiliar, que es regulado por un reóstato. En los generadores asíncronos, dada la simplicidad, robustez y bajo consumo de los clásicos motores eléctricos, estos han empezado a usarse como generadores eléctricos. Para ello es necesario que el par mecánico comunicado al rotor produzca una velocidad de giro superior a la del excitador. El generador asíncrono, consume energía reactiva lo que disminuye la calidad de la energía producida, y por lo tanto, la prima que se paga a la energía eólica. Es importante que la diferencia entre las velocidades de funcionamiento y la de sincronismo sea pequeña, para reducir las pérdidas en el cobre del rotor.12

11

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos89/tipos-generadores-sincronos/tiposgeneradores-sincronos 12

Enrique Harper, Gilberto. Generadores, transformadores y motores eléctricos. México. Editorial Limusa 2004. 252p.

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2.7 CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE ACUERDO A SU POTENCIA • Aerogeneradores de potencia baja: son aquellos que entregan una potencia de hasta 100 Kw. Se utilizan principalmente para abastecer viviendas, así como establecimientos de pequeño tamaño, reservándose casi exclusivamente al ámbito privado. Se encuentran ubicados de manera dispersa alrededor del país. • Aerogeneradores de potencia media: poseen una potencia de salida entre 100 Kw y 30 Mw, su aplicación se da generalmente en pequeños desarrollos comunitarios. • Aerogeneradores de potencia alta: son aquellos capaces de generar más de 30 Mw. Son utilizados para proveer electricidad a la red nacional, por ello se encuentran comúnmente en zonas con gran potencial eólico. En general, se instalan varios generadores juntos, formando un parque eólico13.

2.8 GENERADOR EÓLICO DE EJE VERTICAL Son máquinas en las que el rotor se mueve debido a los esfuerzos de arrastre que el viento origina en dirección perpendicular al eje de giro en la figura 1.4 se muestra su forma en que se dispone. El mayor desarrollo en generadores de eje vertical lo ha conseguido el tipo Darrieus, debido a las características aerodinámicas de las palas que permiten el aprovechamiento de velocidades de viento elevadas, sin requieran mecanismos de regulación y control muy sofisticados, ya que cada tamaño de maquina tiene un límite de potencia definido por las palas de paso fijo y el mecanismo de transmisión de la energía cinética a la flecha del generador.

Figura 1.4 Muestra la forma de un generador eólico con eje vertical

2.8.1 SUS VENTAJAS SON: 13

http://www.monografias.com. aerogeneradores-generadores-electricidad-y-productores-agua

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  

 

Se pueden situar más cerca unos de otros, debido a que no producen el efecto de frenado de aire propio de los HAWT, por lo que no ocupan tanta superficie. No necesitan un mecanismo de orientación respecto al viento, puesto que sus palas son omnidireccionales. Se pueden colocar más cerca del suelo, debido a que son capaces de funcionar con una menor velocidad del viento, por lo que las tareas de mantenimiento son más sencillas. Mucho más silenciosos que los HAWT. Mucho más recomendables para instalaciones pequeñas (de menos de 10 kW) debido a la facilidad de instalación, la disminución del ruido y el menor tamaño.

2.8.2 SUS DESVENTAJAS SON:

   

Al estar cerca del suelo la velocidad del viento es baja y no se aprovechan las corrientes de aire de mayor altura. Baja eficiencia. Mayor gasto en materiales por metro cuadrado de superficie ocupada que las turbinas de eje horizontal. No son de arranque automático, requieren conexión a la red para poder arrancar utilizando el generador como motor.14

2.9 GENERADOR EÓLICO CON EJE HORIZONTAL

Los generadores eólicos horizontales son aquellos en los que el eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al piso. Ésta es la tecnología que se ha impuesto, por su eficiencia y confiabilidad y la capacidad de adaptarse a diferentes potencias. Los generadores eólicos de eje horizontal son el tipo más común de generadores; están disponibles en tamaños que van desde los modelos para uso doméstico, a las versiones pesadas a gran escala que se encuentran en los parques eólicos comerciales. Uno de los principales problemas con la tecnología de eje horizontal es que tiene problemas para aprovechar las velocidades más bajas, en comparación a las más nuevas turbinas eólicas de eje vertical y de gran altitud. 14

http://www.ucsusa.org/clean_energy/our-energy-choices/renewable-energy/environmentalimpacts-wind-power.html

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje de rotación principal en la parte superior de la torre, que tiene que orientarse hacia el viento de alguna manera. Los aerogeneradores pequeños se orientan mediante una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y se orientan por servomotores. Dado que la velocidad de rotación de las aspas es baja, la mayoría hacen uso de una caja multiplicadora para aumentar la velocidad de rotación del generador eléctrico. En general, la hélice está emplazada de tal manera que el viento, en su dirección de flujo, la encuentre antes que a la torre (rotor a barlovento). Esto disminuye las cargas adicionales que genera la turbulencia de la torre en el caso en que el rotor se ubique detrás de la misma (rotor a sotavento). Las palas de la hélice se montan a una distancia razonable de la torre y tienen alta rigidez, de tal manera que al rotar y vibrar naturalmente no choquen con la torre en caso de vientos fuertes15. Este tipo de generador es mostrado en la figura 1.3.

Fig. 1.3 Esquema de un aerogenerador de generación eólica

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soltec-blog.blogspot.mx/2010/07/generadores-horizontales

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CAPITULO III: ENERGÍA OBTENIBLE DEL VIENTO 3.1 ENERGÍA OBTENIBLE DEL VIENTO. Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles de energía para las actividades humanas. En la actualidad, la energía eólica es utilizada principalmente para producir energía eléctrica mediante aerogeneradores. A finales de 2011, la capacidad mundial de los generadores eólicos fue de 238 gigavatios. En 2011 la eólica generó alrededor del 3% del consumo de electricidad mundial. En España la energía eólica produjo un 16% del consumo eléctrico en 2011. Las máquinas eólicas tienen limitaciones de funcionamiento incluso en el caso de que haya viento. Su funcionamiento está limitado a unas velocidades intermedias de viento, por ejemplo entre 2,5 m/s y 25 m/s siendo que la potencia producida desde la mínima a la nominal aumenta linealmente. En la Figura 2.2 se representan los rendimientos típicos de diversos tipos de rotores eólicos, cuya descripción veremos luego, referidos a la relación entre la velocidad de la punta de las palas en los rotores de eje horizontal (o del punto más alejado del eje de rotación en el caso de los rotores de eje vertical tipo Darrieus y Savonius) y la velocidad del viento16.

Fig. 1.4 Rendimiento respecto al límite de betz 16

The World Wind Energy Association (WWEA), 2008-09-01

http://www.wwindea.org/home/index.php

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2 % de la energía proveniente del sol se convierte en viento. De día, las masas de aire sobre los océanos, los mares y los lagos se mantienen frías con relación a las áreas vecinas situadas sobre las masas continentales. Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva. El aire más frío y más pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.

Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad máxima del viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada "cut-in speed", y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada "cut-out speed".

La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices, como para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador.

3.2 TIPOS DE MÁQUINAS EOLICAS. Una máquina eólica es cualquier dispositivo accionado por el viento. Si se utiliza directamente la energía mecánica, será un aeromotor, y si se acciona un generador eléctrico, se tratará de un aerogenerador.

Se acostumbra clasificar las máquinas eólicas según la posición del eje de rotación con respecto a la dirección del viento, pudiéndolos dividir en dos categorías principales:

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Molinos de eje horizontal: Máquinas eólicas en las cuales el eje de rotación es paralelo a la dirección del viento. Molinos de eje vertical: Máquinas eólicas en las cuales el eje de rotación es perpendicular a la superficie terrestre y a la dirección del viento.

Toda máquina eólica por lo general está compuesta por los siguientes elementos:  Soportes  Sistema de captación  Sistema de orientación  Sistema de regulación  Sistema de transmisión  Sistema de generación Las máquinas eólicas se han de colocar sobre un soporte que resista el empuje del viento y que permita elevarla lo suficiente para evitar las turbulencias debidas al suelo o a los obstáculos cercanos. En las maquinas eólicas se pueden distinguir dos tipos de soportes:  Autoportantes: Torres de estructura metálica, de hormigón o tubulares  Atirantados: Estructuras unidas al suelo por cables tensados que permiten, en las máquinas pequeñas, abatir la máquina para su mantenimiento o reparación17.

3.3 SISTEMAS PRINCIPALES DE UNA MÁQUINA EÓLICA. El sistema de captación o "rotor": es el elemento principal de una máquina eólica. Está compuesto por cierto número de "palas" y su misión es transformar la energía del viento en energía mecánica utilizable. Existe gran variedad de rotores, tanto de eje horizontal como de eje vertical. Los sistemas de orientación: sólo son necesarios en las máquinas eólicas de eje horizontal y constan de un mecanismo que detecta la dirección del viento y sitúa el rotor en su misma dirección. Para máquinas de pequeña y mediana potencia (menor de 50 kW), cuyo rotor está situado cara al viento, el dispositivo más adecuado suele ser una cola, superficie plana situada en el extremo de un soporte Chris S. Brune, René Speed, Alan K. Wallace “Experimental Evaluation of a Variable-Speed, Doubly-Fed Wind-Power Generation System”, IEEE Transactions On Industry Applications. Vol. 30, No.3, May/June 1994 17

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA unido al cuerpo del aeromotor. También se utilizan rotores auxiliares, dos pequeñas hélices tras el rotor y en dirección perpendicular al mismo, sobre las que sólo actúa el viento cuando el rotor no está orientado. Las máquinas mayores, cuyo rotor suele estar situado detrás de la torre, utilizan para su orientación el efecto de conicidad basado en una leve inclinación de las palas hacia detrás. Finalmente, en las grandes máquinas, se dispone de motores auxiliares, que funcionan de forma automática orientando el rotor en la dirección adecuada. Los sistemas de regulación tienen por objeto controlar la velocidad de rotación, evitando las fluctuaciones producidas por la velocidad del viento. Los sistemas más sencillos operan sólo con vientos muy fuertes, frenando el rotor; los más elaborados adaptan la máquina a cualquier condición de viento y de potencia. El sistema de regulación más sencillo es el de "puesta en bandera" que produce un frenado al situar el rotor paralelo al viento; el rotor es devuelto a su posición normal cuando la velocidad del viento disminuye. El sistema de paso variable es probablemente la forma de regulación más eficaz y actúa variando el ángulo de ataque de las palas, lo que hace variar el rendimiento aerodinámico y, en consecuencia, la potencia absorbida. Esto se lleva a cabo con ayuda de diversos mecanismos, que varían según el tamaño y características de la máquina eólica. No sólo se puede regular la velocidad de giro de la máquina actuando sobre el rotor; también se puede actuar sobre el eje motor, realizándose el control de la potencia mediante el frenado del mismo. El freno puede ser de zapatas, de disco o de tipo electromagnético y puede actuar por distintos mecanismos. Aunque este sistema tiene que realizar esfuerzos mayores, posee la ventaja de ser más sencillo y de encontrarse ya comercializado, hecho que disminuye considerablemente sus costes18. Para poder aprovechar la energía mecánica obtenida en el rotor es necesario un sistema de transmisión. La energía mecánica se puede transmitir como tal o mediante poleas, y engranajes. Cuando se desea generar energía eléctrica es necesario primero aumentar la velocidad de giro del rotor, que suele ser inferior a las 200 rpm, antes de accionar el generador. Ello se logra con un multiplicador, que

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www.monografias.com/...eolico-maquinas/mecanismos-aprovechamiento

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA puede ser de diferentes tipos. Se logran así velocidades de giro de varios miles de revoluciones por minuto, que permiten accionar generadores eléctricos. Los sistemas de generación se utilizan en las máquinas eólicas para producir energía eléctrica, forma de energía preferible a la mecánica, debido a la facilidad en su manipulación y transporte así como a la versatilidad que presentan sus aplicaciones posteriores. El sistema eléctrico de un aerogenerador está condicionado por la velocidad de operación del rotor y por el uso que se le dé a la energía obtenida. Los generadores que transforman la energía mecánica en eléctrica pueden ser dinamos o alternadores. La dinamo es una máquina eléctrica sencilla que produce corriente continua y es capaz de proporcionar potencia a escasas revoluciones, con lo que a veces se puede prescindir de la etapa previa de multiplicación. Normalmente, la corriente eléctrica producida por una dinamo se almacena como tal en un sistema de acumulación de baterías. Los alternadores generan corriente alterna y para una misma potencia son más ligeros, baratos y de mayor rendimiento que las dinamos, pero trabajan a elevado número de revoluciones, por lo que necesitan un multiplicador19.

3.4 PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LAS MÁQUINAS EÓLICAS. Los molinos de viento, aeromotores, máquinas eólicas (términos que pueden ser considerados sinónimos), o los aerogeneradores, o turbinas eólicas en su acepción, son dispositivos que convierten la energía cinética del viento en energía mecánica. Aunque existen dos tipos básicos de molinos, eje horizontal y eje vertical, el principio de operación es esencialmente el mismo. La captación de la energía eólica se realiza mediante la acción del viento sobre las palas, las cuales están unidas al eje a través de un elemento denominado cubo (conjunto que recibe el nombre de rotor). El principio aerodinámico, por el cual este conjunto gira, es similar al que hace que los aviones vuelen.

Según este principio, el aire que es obligado a fluir por las caras superior e inferior de una placa o perfil inclinado (ver Figura 1) genera una diferencia de presiones entre ambas caras, dando origen a una fuerza resultante (R) que actúa sobre el perfil. Descomponiendo esta fuerza en dos direcciones se obtiene:

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www.energiasrenovables.ciemat.es/adjuntos.../Energia_Eolica.pdf

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA A) La fuerza de sustentación, la cual tiene una dirección perpendicular al viento. B) La fuerza de arrastre, la cual tiene una dirección paralela al viento.

Como se ha mencionado todas las maquinas eólicas cumplen con el mismo propósito, el cual es procesar la energía generada por los molinos, independientemente de las características que tenga cada uno de estos equipos generadores.

3.5 APLICACIONES DE LAS MAQUINAS EÓLICAS. La energía captada por el rotor de una máquina eólica se transforma inicialmente en energía mecánica disponible en un movimiento rotativo. Este movimiento puede utilizarse para impulsar dispositivos que la transformen en otras formas de energía: mecánica, eléctrica, térmica o potencial. Las aplicaciones más efectivas serán aquellas en las que se llega al uso final de la energía con el menor número de transformaciones. En términos generales, las aplicaciones de las máquinas eólicas pueden subdividirse en dos grandes grupos según el tipo de energía a obtener: energía mecánica o energía eléctrica. Este último admite, según el servicio a prestar, tres clasificaciones bien diferenciadas: instalaciones aisladas o remotas, sistemas híbridos diesel-eólicos y sistemas interconectados a las redes de distribución de energía eléctrica. Cada una de estas aplicaciones tiene características particulares que condicionan tanto el tipo de máquina a utilizar como sus sistemas auxiliares 20. La energía captada por el rotor de una máquina eólica se transforma inicialmente en energía mecánica disponible en un movimiento rotativo. Este movimiento puede utilizarse para impulsar dispositivos que la transformen en otras formas de energía: mecánica, eléctrica, térmica o potencial. Las aplicaciones más efectivas serán aquellas en las que se llega al uso final de la energía con el menor número de transformaciones.

3.6 GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA En general, la generación de energía eléctrica consiste en transformar alguna clase de energía química, mecánica, térmica o lumínica, entre otras, en energía eléctrica. La generación eléctrica se realiza, básicamente, mediante un generador; si bien estos no difieren entre sí en cuanto a su principio de funcionamiento, varían 20

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujodegases/energiaeolica/energiaeolica.html

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA en función a la forma en que se accionan. Explicado de otro modo, difiere en qué fuente de energía primaria utiliza para convertir la energía contenida en ella, en energía eléctrica. La generación de energía eléctrica debe seguir la curva de demanda y, a medida que aumenta la potencia demandada, se debe incrementar la potencia suministrada. En general los sistemas de generación se diferencian por el periodo del ciclo en el que está planificado que sean utilizados; se consideran de base la nuclear y la eólica, de valle la termoeléctrica de combustibles fósiles, y de pico la hidroeléctrica principalmente. Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles de energía para las actividades humanas. La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión. Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2 % de la energía proveniente del sol se convierte en viento. De día, las masas de aire sobre los océanos, los mares y los lagos se mantienen frías con relación a las áreas vecinas situadas sobre las masas continentales. Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva. El aire más frío y más pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente. La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices, como para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador21. En la actualidad se utiliza, sobre todo, para mover aerogeneradores. En estos la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos. 21

http://www.slideshare.net/ticorance/generacion-de-energia-eolica

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3.7 TIPOS DE GENERADORES UTILIZADOS EN SISTEMAS EÓLICOS DE VELOCIDAD VARIABLE Se han puesto numerosos sistemas de generación de energía eólica a velocidad variable utilizando una gran variedad de generadores: generadores asíncronos de jaula, generadores asíncronos de rotor devanado, generador asíncrono con doble alimentación por el estator, generadores síncronos de rotor devanado y generadores síncronos de imanes permanentes. La principal ventaja de los generadores asíncronos de rotor devanado es que el convertidor electrónico ha de ser dimensionado para una potencia que es una fracción de la potencia asignada de la máquina, ya que la mayor parte de la potencia se entrega por el estator, que se encuentra conectado directamente a la red. En los generadores asíncronos de rotor en jaula, por el contrario, el convertidor electrónico ha de estar dimensionado para toda la potencia de la máquina, además de proporcionar la potencia reactiva precisa para magnetizar la máquina. En cualquier caso, cuando se utilizan generadores de inducción no es posible prescindir de la caja multiplicadora, ya que para ello es preciso que el generador tenga un elevado número de polis, con lo que su diámetro se hace excesivamente grande y la corriente de magnetización alcanzaría niveles muy elevados. Esto redunda en un factor de potencia bajo y un rendimiento pobre. En la actualidad, los sistemas eólicos de velocidad variable comerciales incorporan bien generadores asíncronos de rotor devanado o bien generadores síncronos (ya sea con devanado de excitación o con imanes permanentes). Es de destacar que los generadores síncronos permiten un mayor margen de velocidades de giro de la máquina que los que incorporan generadores asíncronos de rotor devanado debido a que si se amplía el margen de velocidades de funcionamiento la tensión retórica aumenta y con ello el dimensionado del convertidor electrónico rotórico 22.

3.8 TECNOLOGÍA DE GENERACIÓN Características de los generadores asíncronos doblemente alimentados: 22

http://www.microm.com.mx/ES/Documents/Hojas%20t%C3%A9cnicas/Generadores%20e%C3%B3 licos.pdf

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA     

El rotor de la máquina se alimenta con un convertidor de frecuencia (CA/CD – CD/CA). La velocidad de giro de la máquina puede variar en un amplio margen. Permite regular el par electromagnético y el factor de potencia del generador en un amplio margen de velocidades de giro. Permite un control de la energía activa y reactiva inyectada a la red similar a la de los generadores síncronos. La potencia del convertidor electrónico necesario es reducida ( 20 – 30 % nominal).

Características de los generadores síncronos:  Velocidad y frecuencia variable generada depende de la velocidad de giro de la turbina eólica.  Necesidad de un sistema electrónico de conversión.  Adecuados para su utilización en emplazamientos aislados.  Posibilidad de suministrar energía activa y reactiva a la red  Mayor eficiencia que los generadores asíncronos.  Mayor coste que los generadores asíncronos. Características de los generadores convencionales de inducción:  Motor de inducción de alta eficiencia operando en modo súper-sincrónico.  Absorbe potencia reactiva de la red (sin compensación, cos0.9)  Exige compensación stunt (derivada)  Si una perturbación lleva la máquina a un binario superior a su máxima binario, la máquina entrará en régimen de inestabilidad y la velocidad del generador seguirá aumentando (el voltaje entrará en colapso).  Variaciones rápidas del viento se transforman rápidamente en variaciones de la potencia eléctrica.  Diseño eléctrico más que sencillo que el de un DFIG (Generador de Inducción Doblemente Alimentado del inglés doubly-fed induction generador) o sea eléctricamente menos complicado.  Utilizar modelos de motores convencionales de inducción para análisis de estabilidad transitoria23.

23

http://tipos-de-energia.blogspot.mx/2006/02/energa-elica-tipos-de-generadores.html

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3.9 GENERADORES EMPLEADOS EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA Un generador eólico es un dispositivo mecánico que convierte la energía del viento en electricidad. Los generadores eólicos están diseñados para convertir la energía del movimiento (energía cinética) en la energía mecánica para el movimiento de un eje. El aerogenerador (generador eólico) produce electricidad al recibir la fuerza del viento. Al mismo tiempo, la envía hacia el sistema de acumulación (baterías o acumuladores eléctricos) donde se almacenará para su uso en el momento necesario. Entre ambos componentes se intercala un regulador, el cual automatiza y garantiza el correcto funcionamiento del sistema. El inversor convierte la corriente continua almacenada en las baterías en alterna a 220V, con lo que puede funcionar cualquier aparato de potencias acore a la del inversor24.

Figura 1.5. Esquema de un aerogenerador

24

las partes de

http://pels.edv.uniovi.es/pels/pels/Pdf/Tesis/Tesis%20Pedro%20Roncero%20UCLM.pdf

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Figura 1.6. Muestra la conexión del banco de baterías, tanto al regulador como al inversor

Taba 1.2. Capacidad del sistema eólico Dependiendo del tipo de generador involucrado y de la velocidad (fija o variable) a la cual funciona el sistema, se tienen distintas configuraciones de generadores eólicos. Un resumen con las configuraciones más usadas en la actualidad es la siguiente:

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

Generador Directamente conectado a la red Operación a la velocidad fija Principalmente generadores de Inducción Necesidad de compensación Sistema con etapa CA-CD-CA Operación a velocidad variable Generadores sincrónicos asincrónicos

Este trabajo se concentra en configuraciones que utilizan generadores síncronos de imanes permanentes.

3.10 SISTEMAS DE CONTROL La figura siguiente presenta un esquema general del control implementado para una turbina de velocidad variable con generador de inducción doblemente alimentado. El esquema de control se puede dividir en tres partes principales: el control del ángulo de paso de las aspas del aerogenerador (regulación de velocidad), el control del convertidor en el lado del rotor y el control del convertidor en el lado de la red.

Fig. 1.6. Sistema de control con generador de inducción doblemente alimentado.

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CONCLUSION

Con este trabajo realizado pudimos obtener un sinfín de conocimientos y cosas muy importantes como: La energía eólica es una opción sumamente accesible y económica hasta ciertos parámetros de uso para cualquier persona. Además contribuye en el hecho de que podemos aportar en gran medida al ahorro de energía con el soporte de estos sistemas, además podemos entender y saber que día con día se buscan más alternativas, por lo que de ésta manera se toman en cuenta este tipo de sistemas como vimos son muy económicos y mejoraran nuestra calidad de vida ya que proporcionan el cuidado a nuestro medio ambiente. Al elaborar nuestro proyecto se poder decir que es accesible para algunas compañías y comunidades tienen la opción de implementar diversos sistemas incluso desde los más convencionales, también a diferentes sectores a donde no llega la electricidad pueden hacer uso de ella.

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GLOSARIO

Anemómetro: Mide la velocidad del viento, envía señales al controlador electrónico conectando el aerogenerador cuando el viento alcance la velocidad de arranque, Si la velocidad es superior a la de corte, el ordenador parará el aerogenerador para evitar los desperfectos. Banco de Baterías: Almacena energía durante varios días, con el objeto de disponer de energía en los períodos de viento flojo o de calma, este sistema es inútil en sistemas de generación eléctrica conectados a la red. Buje: O cubo; centro del rotor donde se encastran las palas y mediante el cual la potencia captada por el rotor se transmite al eje principal. En función de si el rotor está formado por dos o tres palas pueden presentarse dos tipos de buje: Rígido, para aerogeneradores de tres palas, que consiste en una estructura metálica hueca que típicamente se construye con base en una fundición de acero nodular y Basculante, para aerogeneradores de dos palas, el cual permite que las palas se puedan mover, ligeramente, en una dirección perpendicular al plano del rotor. Carenado (Nariz): El carenado del rotor es una cubierta frontal en forma de cono que sirve para desviar el viento hacia el tren motor y mejorar la ventilación en el interior, eliminar turbulencia indeseable en el centro frontal del rotor y mejorar el aspecto estético. Controlador electrónico: Equipado con un ordenador para monitorear las condiciones del aerogenerador y controlar el mecanismo de orientación, en caso de disfunción automáticamente detiene el aerogenerador y da aviso al ordenador del operario encargado de la turbina. Eje de alta velocidad con su freno mecánico:

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA 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. Energía Eólica: Es la energía que podemos obtener de la fuerza del viento o también la energía eólica es la energía cinética presente en las corrientes de aire o viento. Freno de disco: Se aplica después que la velocidad de rotación del rotor se reduce considerablemente, y por consecuencia, el par motriz es mucho menor. Es utilizado para efectuar el paro forzado (medio principal de frenado). Generador eléctrico: Transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Existen fundamentalmente 3 tipos de generadores: Generador asíncrono de jaula de ardilla, Generador asíncrono de rotor bobinado y Generador síncrono de imanes permanentes. Góndola: Ubicada en la parte superior del aerogenerador, dentro se encuentran el multiplicador, el generador eléctrico o el sistema de orientación, los 2 primeros son componentes claves del aerogenerador. Las palas, el rotor del aerogenerador y el buje están situados a la izquierda de la góndola. Inversor: Transforma y amplifica corriente continua en alterna. Los voltajes continuos pueden ir desde los 12 V hasta los 100 V. Multiplicador: Sistema mecánico encargada de elevar la velocidad de giro del sistema mediante un conjunto de engranajes comunica al eje arrastrado o de salida una velocidad de giro mayor que la del eje motor o de entrada, desde la velocidad de la turbina (2030 rpm) a la velocidad del generador (1000-1500 rpm).

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA Mecanismo de Orientación: Utilizado para mantener el rotor de la turbina en posición contra el viento (perpendicular a la dirección del viento) para que a través del rotor pase la mayor proporción posible de energía eólica. Pala: Transforma por aprovechamiento aerodinámico la energía cinética del viento en energía mecánica en el eje del generador. Torre: Estructura que soporta el aerogenerador (góndola y el rotor), mejor cuanto más alta es, a mayor altura mayor velocidad de viento, un aerogenerador de 600 kW puede estar en torno a los 50 metros. Las torres pueden ser tubulares (más seguras) o, de celosía (más baratas). Turbina Eólica: Se encarga de captar energía cinética del viento y transformarla en energía mecánica en su eje. Sistema Hidráulico: Restaura los frenos aerodinámicos del aerogenerador. Unidad de Refrigeración: Compuesta por un ventilador eléctrico y una unidad de refrigeración de aceite, el primero enfría el generador eléctrico y el segundo enfría el aceite del multiplicador, otras turbinas tienen generadores enfriados por agua. Veleta: Mide la dirección del viento, envía señales al controlador electrónico de forma que hace girar el aerogenerador en contra del viento utilizando el mecanismo de orientación.

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ANEXOS Tabla 2.1 se resumen las características salientes de los rotores eólicos más utilizados.

PERFIL AERODINAMICO

0.47

SAVONIUS

0.30

0.5-3200 kW Bajo par de arranque Altas velocidades Alto rendimiento 10-1.5 a 3 palas kW

0.35

No requiere ser orientado Alto par de arranque Bajas velocidades 25-500 a 4 palas kW

DARRIEUS

No requiere ser orientado No arranca solo Altas velocidades Buen rendimiento 2 a 4 palas

EJE

TIPO DE ROTOR

RENDIMIENTO MAXIMO

CARACTERISTICAS

HOLANDES

0.15

MULTIPALA AMERICANO

0.15

30-60 kW Alto par de arranque Velocidades medias 4 palas 0.4-6 kW Alto par de arranque Bajas velocidades Muchas perdidas 12-15 palas

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BIBLIOGRAFIA

[1]http://www.inti.gob.ar/e-renova/erTO/pdf/libro_energia_eolica.pdf

[2]Fernández, C (2009) “Energías renovables en Argentina: el Caso de la Energía Eólica y sus Avances en Materia Regulatoria [3]Publicación de la Secretaría de Energía (2008) “Energía Eólica” [4]Página electrónica http://www.cfe.gob.mx/

de

[5]Página electrónica de http://saladeprensa.cfe.gob.mx

Comisión

Federal

de

Electricidad

CFE,

Comisión

Federal

de

Electricidad

CFE,

[6]Caldera ME (2000) Potencial de la energía eoloeléctrica en México. Green peace México. pp. 16-17. [7]Enrique Harper, Gilberto. Generadores, transformadores y motores eléctricos. México. Editorial Limusa 2004. 252p. [8] http://tipos-de-energia.blogspot.mx/2006/02/energa-elica-tipos-de-generadores [9]Chris S. Brune, René Speed, Alan K. Wallace “Experimental Evaluation of a Variable-Speed, Doubly-Fed Wind-Power Generation System”, IEEE Transactions On Industry Applications. Vol. 30, No.3, May/June 1994 [10]http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujodegases/energiaeolica/energi aeolica.html [11] www.energiasrenovables.ciemat.es/adjuntos.../Energia_Eolica.pdf [12] The World Wind Energy Association (WWEA), 2008-09-01 http://www.wwindea.org/home/index.php

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