Investigación de Generación De Energía eólica
- 1. 1 Investigación sobre la generación de energía eléctrica por medio de aerogeneradores Johann Steve Contreras Delgado Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central Programa de Ingeniería electromecánica Práctica profesional Bogotá 2009
- 2. 2 Investigación sobre la generación de energía eléctrica por medio de aerogeneradores Johann Steve Contreras Delgado 10601113 Grupo E5C300 Ingeniero Germán Granados R. Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central Programa de Ingeniería electromecánica Práctica profesional Bogotá 2009
- 3. 3 CONTENIDO Página INTRODUCCIÓN 5. 1. OBJETIVOS 6. 1.1. Objetivo general: 6. 1.2. Objetivos específicos: 6. 2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. 7. 3. JUSTIFICACIÓN. 8. 4. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA . 9. 5. METODOLOGÍA. 10. 6. MARCO TEORICO. 11. 6.1. Elementos clave para la energía eólica. 11. 6.2. Aerogenerador. 12. 6.3. Partes de un aerogenerador o turbina eólica. 12. 6.4. Descripción de las partes localizadas en la góndola. 14. 6.4.1.Materiales de construcción de un rotor. 24. 6.4.1.1. Dimensiones de las palas. 26. 6.4.1.2. Sistemas para la regulación de la velocidad de giro. 27. 7. CONCLUSIONES. 29. 8. GLOSARIO. 30. BIBLIOGRAFÍA. 31.
- 4. 4 LISTA DE FIGURAS Página Imagen 1. Caja multiplicadora. 14. Imagen 2. Eje principal. 15. Imagen 3. Detalle del eje pequeño. 16. Imagen 4. Generador principal de la turbina eólica. 18. Imagen 5. El controlador envía datos a la sala de control… 19. Imagen 6. Detalle de la veleta en un generador eólico. 21. Imagen 7. El motor de orientación hace posible… 22. Imagen 8. La corona de orientación es... 23. Diagrama 1. Estructura moderna de una pala. 25. Diagrama 2. Materiales y estructuras utilizadas… 26. Diagrama 3. El sistema de regulación centrífugo de… 28.
- 5. 5 INTRODUCCIÓN La generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables como el viento es una tarea que la humanidad esta descubriendo no solo como importante sino también como vital para el desarrollo de las futuras generaciones. El siguiente documento, mediante gráficos, fotografías y breves descripciones llevará al lector a comprender la escencia de la generación de electricidad mediante el aprovechamiento de una fuente tan abundante de energía como lo es el viento, sin embargo es importante recalcar que el objetivo de este documento es puramente informativo, ya que como cualquier campo relacionado con la electricidad y la mecánica debe considerarse aspectos de diseño muy profundos, que rara vez conciernen a otras personas que no sean los diseñadores de estos sistemas, además siendo importante primero informar acerca de las alternativas, lo mejor es hacerlo en un lenguaje sencillo y claro. La primera parte de esta investigación sirve como introducción a los conceptos básicos relacionados con la energía eólica, mientras que la segunda describe de forma sencilla los componentes fundamentales de los aerogeneradores. Puesto que el campo de la energía eólica es sumamente amplio y debe tener en cuenta consideraciones de diseño muy profundas el lector debe comprender que la información contenida en este documento debe considerarse como una introducción a este tema.
- 6. 6 1. OBJETIVOS 1.6. Objetivo general: • Realizar una investigación sobre la energía eólica y los equipos electromecánicos utilizados para el aprovechamiento de la misma. 1.2. Objetivos específicos: • Realizar una investigación sobre los generadores y alternadores utilizados en las torres eólicas. • Comprender los principios fundamentales detrás de algunos de los equipos modernos de generación de corriente eléctrica a través de energías alternativas. • Crear un documento informativo sobre el tema investigado.
- 7. 7 2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Buscar y aprovechar fuentes de energía alternas es el camino a seguir para solucionar muchos de los problemas energéticos y ecológicos de la humanidad. En muchos sectores de Colombia especialmente aquellos alejados de las grandes ciudades, pocas personas conocen completamente el concepto de energía limpia o alternativa, lo que sin duda retrasa el proceso nacional de cambio hacia el uso de este tipo de energía, ya sea un cambio de mentalidad acerca del tema o un cambio de hecho, en la investigación e implementación de equipos que la aprovechen. Informar acerca de este tema es fundamental y sin duda la solución al problema, para que las personas de toda índole busquen un cambio, ya sea reclamando al gobierno por instalaciones limpias para la producción de energía o para que las mismas personas ya sea de forma individual o colectiva construyan equipos de cualquier tamaño y costo, que aprovechen cualquiera de las fuentes de energía alternativa para beneficio de su comunidad la cual podría lograr no depender del sistema interconectado nacional de energía eléctrica.
- 8. 8 3. JUSTIFICACIÓN Colombia como país en vías de desarrollo debe buscar de cualquier forma práctica aprovechar las energías alternativas; Si bien el país tiene fuentes de combustibles fósiles como carbón y petróleo en abundancia, e incluso ricas fuentes hídricas para la creación de hidroeléctricas, todas estas formas de generación de energía tienen un enorme impacto sobre el medioambiente y sobre las poblaciones cercanas. En algunos casos nuestras fuentes de energía actuales tienen efectos positivos como la generación de empleo y de regalías, pero es un hecho que dichas fuentes pueden terminarse, o simplemente su explotación podría implicar la exterminación de reservas naturales, o un deterioro mayor del medio ambiente; por lo tanto es una prioridad para el gobierno y para la sociedad en Colombia informarse acerca de las energías alternativas y de su aprovechamiento, para lograr un futuro energéticamente claro, con cobertura total, y sobre todo de acuerdo con la nueva visión global de un mundo limpio y libre de emisiones nocivas para el ambiente. Crear este documento informativo no solo enriquece el conocimiento personal del autor acerca del tema sino que también en un esfuerzo pequeño en comparación al de otras instituciones, pretende contribuir en ese proceso informativo y educativo, que busca un cambio en el pensamiento de la sociedad acerca de un tema fundamental como lo es el medio ambiente y la independencia energética, en beneficio de un desarrollo que mire hacia el futuro y que beneficie al conjunto de la sociedad, dentro y fuera de los grandes centros de población.
- 9. 9 4. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA Debido a lo extenso del tema de las energías alternativas, y al hecho de que no todas las formas de aprovechamiento de las energías alternativas, son adecuadas y/o económicas dentro del entorno que ofrece la república de Colombia, la presente investigación se centrará de forma muy conservadora en el estudio de las torres eólicas. Como parte de la investigación también se hará una descripción breve pero completa sobre el rotor de estos dispositivos, ya que es el factor clave en el proceso de generación eléctrica mediante el aprovechamiento del viento.
- 10. 10 5. METODOLOGÍA Para la realización de esta investigación primero se recopilará información sobre los orígenes de la energía eólica, su estado actual, su importancia dentro del mundo de las energías alternativas, los tipos de aerogeneradores, sus partes etc., después de leer el material se desarrollará un documento descriptivo acerca de las partes fundamentales de los aerogeneradores y de los elementos básicos que se requieren para construir un aerogenerador.
- 11. 11 6. MARCO TEORICO La energía eólica hace uso de uno de los elementos más útiles y antiguos de la humanidad el molino de viento. Un molino es una máquina que transforma el viento en energía aprovechable, que proviene de la acción de la fuerza del viento sobre unas aspas oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de maquinaria para moler grano, bombear agua o generar electricidad. Cuando el eje se conecta a una carga, como una bomba, recibe el nombre de molino de viento. Si se usa para producir electricidad se le denomina generador de turbina de viento. Los molinos tienen un origen remoto. La industria de la energía eólica en tiempos modernos comenzó en 1979 con la producción en serie de turbinas de viento por los fabricantes Kuriant, Vestas, Nordtank, y Bonus. Aquellas turbinas eran pequeñas para los estándares actuales, con capacidades de 20 a 30 Kw cada una. Desde entonces, la talla de las turbinas ha crecido enormemente, y la producción se ha expandido a muchos países. En la actualidad el desarrollo e implementación de las turbinas eólicas es realizado por diversas organizaciones y compañías tales como Gamesa, ALstom-Ecotecnia, Windtest, GE Wind Energy, NREL, RES Group, Ecole de Technologie Superieure (Canadá), Hatvh ltd, Siemens Wind Power, Vestas, Endesa, Neo Energía (EDP Renovables), FEUP, y CENER e incluso ciertas comunidades pequeñas; sin embargo producto del desarrollo técnico de estos equipos la organización llamada TC 88 IEC (International Electrotechnical Comission/Comisión Electrotécnica Internacional) que es la encargada de la revisión de la normativa que sirve de referencia en el sector eólico a nivel internacional y supone el resultado del esfuerzo realizado para lograr la armonización entre los diferentes esquemas nacionales existentes. 6.1. Elementos clave para la energía eólica. • Viento: Se considera viento a toda masa de aire en movimiento, que surge como consecuencia del desigual Calentamiento de la superficie terrestre, siendo la fuente de energía eólica, o mejor dicho, la energía mecánica que en forma de energía cinética transporta el aire en movimiento.
- 12. 12 La Tierra recibe una gran cantidad de energía procedente del Sol que en lugares favorables puede llegar a ser del orden de 2000 Kw/m2 anuales; el 2% de ella se transforma en energía eólica capaz de proporcionar una gran potencia. • Generador: Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.). 6.2. Aerogenerador: Es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el viento (turbina eólica). Sus precedentes directos son los molinos de viento que se empleaban para la molienda y obtención de harina. En este caso, la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento, proporciona energía mecánica a un rotor hélice que, a través de un sistema de transmisión mecánico, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. 6.3. Partes de un aerogenerador o turbina eólica. Un aerogenerador se puede descomponer en 5 partes fundamentales: • Cimentación: Es una base de hormigón con una puesta a tierra en cobre. Sobre esta superficie descansará el aerogenerador, la nivelación de esta superficie es fundamental para la estabilidad del equipo. • Torre: Existen dos tipos de torre; las torres de celosía y las torres tubulares. Torres de celosía: Una torre puede estar hecha a partir de perfiles de acero que se arman formando una celosía. Una torre de celosía es muy fuerte y barata de fabricar. Esto es debido a que no hay que utilizar tanto acero para hacer una torre de celosía como el que se utiliza para fabricar una torre tubular. Torres tubulares: Las mejores torres para grandes aerogeneradores están fabricadas en forma de tubo, ligeramente más ancho en la parte inferior que en la superior.
- 13. 13 Se dice que la torre es cónica, este tipo de torre es muy resistente. • Góndola: Se encuentra en la parte superior de la torre y junto a la hélice es el alma de la máquina, en la góndola se encuentra todo el equipo eléctrico de generación y el equipo electrónico de control. • Hélices: son dispositivos rotatorios, construidos con un perfil aerodinámico diseñado para girar a grandes velocidades cuando el viento los encuentra perpendicularmente, estas hélices generalmente están construidas con materiales compuestos, los cuales las hacen muy fuerte y ligeras a la vez. • Transformador: Es la máquina eléctrica estática encargada de regular el voltaje de la corriente generada por la hélice con el fin de hacer que la energía sea útil y compatible con la energía que circula por el sistema interconectado.
- 14. 14 6.4. Descripción de las partes localizadas en la góndola Imagen 1. Caja multiplicadora.
- 15. 15 Imagen 2. Eje principal.
- 16. 16 Imagen 3. Detalle del eje pequeño.
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- 18. 18 Imagen 4. Generador principal de la turbina eólica.
- 19. 19 Imagen 5. El controlador envía datos a la sala de control donde se hacen los ajustes necesarios A la torre según sea requerido.
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- 21. 21 Imagen 6. Detalle de la veleta en un generador eólico.
- 22. 22 Imagen 7. El motor de orientación hace posible que las órdenes de ajuste dadas por el personal o por la veleta Se hagan efectivas en un giro de la góndola.
- 23. 23 Imagen 8. La corona de orientación es el mecanismo fundamental de rotación de las torres tubulares y de celosía.
- 24. 24 6.4.1.Materiales de construcción de un rotor: Una cuestión que hay que tener muy en cuenta en el diseño de un rotor es el problema estructural, por cuanto siempre es posible diseñar una pala muy buena desde el punto de vista aerodinámico, pero que no sea capaz de resistir los esfuerzos a que esté sometida. Otra cuestión importante es el proceso de fabricación del rotor, puesto que una disminución de costes en este sentido tiene que rebajar el coste de la instalación. Las palas van a estar sometidas a condiciones de trabajo muy duras, como fenómenos de corrosión, erosión, contracciones y dilataciones debidas a las vibraciones (fatiga), etc. y de ahí el que sea muy importante el material con que se construyan; en su fabricación se pueden utilizar materiales baratos como telas (equipos económicos), maderas, pero una de las soluciones más interesantes consiste en utilizar estructuras de aleaciones de aluminio (duraluminio) con chapa fina, larguero central resistente y costillas que le proporcionen una cierta rigidez, ésta parece la concepción más simple pero quizás sea la más cara; por ello se pueden utilizar otros procedimientos como sustituir el aluminio por acero con el inconveniente de un mayor peso para resistencias análogas.
- 25. 25 Diagrama 1. Estructura moderna de una pala. Otro tipo de estructura previsible es la de fibra de vidrio, que se puede realizar de diversas formas. Se pueden construir mediante bobinado o colocando la fibra en sentido longitudinal o en dirección del eje, con lo que la resistencia aumenta considerablemente; estas fibras pueden ser, complejos de resinas sintéticas (fibra de vidrio + resinas epoxi), (fibra de vidrio + poliésteres), (fibras de carbono + elastómeros), etc., que se pueden moldear fácilmente, y que son interesantes para pequeñas series. Para la construcción de la parte móvil de las palas se puede utilizar plástico armado debido a su ligereza y resistencia y para la parte fija plástico y acero.
- 26. 26 Diagrama 2. Materiales y estructuras utilizadas para la construcción de las palas de los aerogeneradores. 6.4.1.1. Dimensiones de las palas: La anchura de las palas no interviene prácticamente en la potencia generada por el viento; las palas finas permiten una velocidad de rotación muy grande, gracias a la disminución de su masa y del rozamiento con el aire; sin embargo, tienen el inconveniente de ser muy frágiles y el de no presentar una superficie frontal suficiente para proporcionar un par de arranque adecuado. Se suele tomar una anchura de pala (cuerda) del orden de 1/20 1/50 del diámetro descrito por ellas, estando comprendido el ángulo de calaje de la pala entre 3 y 8º. La ventaja de elegir un TSR alto (para el caso de una hélice bipala del orden de 10), es la de obtener una máquina eólica ligera, simple y barata.
- 27. 27 Por otro lado, como estas máquinas suelen ir acopladas a generadores eléctricos que requieren, en general, una velocidad de rotación sincrónica, precisan de un sistema multiplicador de revoluciones con un mínimo de engranajes, con lo que las pérdidas por rozamiento disminuyen. simplificando la transmisión. En general, el rotor se puede construir con palas filas o con palas de paso variable. El primer sistema presenta la ventaja de la robustez. El segundo es más frágil pero también requiere de mayores cuidados. En la escala de grandes potencias las experiencias americanas y danesas muestran que la mejor solución consiste en utilizar palas de paso fijo cerca del cubo y de paso variable en la otra extremidad. 6.4.1.2. Sistemas para la regulación de la velocidad de giro. Un dispositivo muy importante en un aerogenerador eólico es el que permite la regulación y control del número de revoluciones, que además sirve de protección de dicha máquina para velocidades del viento superiores a las admisibles bajo el punto de vista estructural. Cuando una máquina está sometida a una determinada velocidad del viento, comienza a girar; dicha velocidad es la velocidad de conexión, pero su giro es lento y la máquina está lejos de generar su máxima potencia. A medida que la velocidad del viento aumenta el rotor gira más deprisa y la potencia que produce también aumenta; a una determinada velocidad (nominal), el rotor gira a las revoluciones precisas para que la máquina proporcione su potencia nominal y a partir de este momento, aunque aumente la velocidad del viento, no interesa que la velocidad de giro aumente, por lo que hay que actuar sobre ella regulando su velocidad. Si la velocidad del viento sigue aumentando, el rotor puede peligrar desde el punto de vista estructural siendo muy importante disminuir las vibraciones; por éso, cuando esta velocidad aumenta mucho, el rotor se tiene que frenar.
- 28. 28 La velocidad a la que el rotor inicia la parada es la velocidad de desconexión y los procedimientos utilizados para que dicha desconexión se produzca se llaman de protección. En los primeros aerogeneradores el paso de la pala era fijo por lo que las ráfagas de viento provocaban fuertes sobrecargas mecánicas sobre los componentes de la turbina, que tenían que estar sobredimensionadas. Con la introducción del paso variable se limitan las cargas máximas en la turbina, y con esta innovación comienza el proceso de disminuir los esfuerzos mecánicos que se generaban durante las ráfagas de viento en los momentos en que su velocidad media era del orden de la nominal, iniciándose también el proceso de ofrecer rotores de varios diámetros para adecuarse a las condiciones del emplazamiento. La energía de las ráfagas de viento, que son críticas si la velocidad del viento está por encima de la nominal, se emplea en aumentar la energía cinética de rotación del rotor, y no en esfuerzos en los elementos mecánicos (ejes, rodamientos, multiplicador). A este sistema de deslizamiento variable se le dio el nombre de Opti-Slip. Para las máquinas eólicas que accionan un generador eléctrico existen diversos sistemas de Regulación. Diagrama 3. El sistema de regulación centrífugo del ángulo de inclinación de las palas mediante bieletas, es una de las diversas alternativas, que usan la aerodinámica de las palas para modificar la velocidad de las mismas.
- 29. 29 7. CONCLUSIONES La generación de energía eléctrica mediante el uso de aerogeneradores (o torres eólicas), es un proceso laborioso que requiere bastantes consideraciones desde el punto de vista de la ingeniería si se desarrolla en forma de grandes centrales de generación de eléctrica eólica, sin embargo tras realizar la investigación y la redacción de este documento, se puede decir que los principios básicos de funcionamiento de un sistema eólico son relativamente sencillos, y que si se eliminan los sistemas de control informático, se puede considerar el uso de aerogeneradores, mucho más pequeños y sencillos, en hogares y/o fincas que dispongan de cierto espacio para un dispositivo de este tipo. Se logró crear un documento bastante condensado que cubriera los aspectos generales envueltos en la generación de electricidad, sin embargo es de resaltar que el tema abarca gran cantidad de temas y disciplinas, y que por lo tanto el contenido de este trabajo debe considerarse una introducción al concepto de la energía eólica.
- 30. 30 8. GLOSARIO Aerodinámica: La aerodinámica es la rama de la mecánica de fluidos que estudia las acciones que aparecen sobre los cuerpos sólidos cuando existe un movimiento relativo entre éstos y el fluido que los baña, siendo éste último un gas y no un líquido, caso éste que se estudia en hidrodinámica. Eólico: Relativo o que depende del viento. Generador eléctrico: Es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos. Hélice: La hélice es un dispositivo formado por un conjunto de elementos denominados palas o álabes, montados de forma concéntrica alrededor de un eje, girando alrededor de éste en un mismo plano. IEC: (CEI o IEC, por sus siglas del idioma inglés International Electrotechnical Commission) es una organización de normalización en los campos eléctrico, electrónico y tecnologías relacionadas. Numerosas normas se desarrollan conjuntamente con la ISO (normas ISO/IEC). Corriente alterna: La electricidad que proviene de una batería es corriente continua (CC), es decir, los electrones circulan en una única dirección. Sin embargo, la mayoría de las redes eléctricas del mundo son de corriente alterna (CA). Una de las razones para el uso de la corriente alterna es que resulta bastante barato aumentar o disminuir su voltaje, y cuando se desea transportar la corriente a largas distancias se tendrá una menor pérdida de energía si se utiliza la alta tensión. Otra de las razones por la que se utiliza corriente alterna es que resulta difícil y caro construir disyuntores (interruptores) para altas voltajes de CC que no produzcan chispas enormes.
- 31. 31 BIBLIOGRAFÍA Documento de ingeniería energética Pedro Fernández Diez Universidad de Cantabria 2007. Sistemas eólicos de producción de energía eléctrica. Rodríguez Amenedo, J.l. y burgos Díaz, JC. Y Arnalte Gómez, ISBN: 9788472071391. 2003 http://es.wikipedia.org Wikimedia Foundation Inc. (GNU Free Documentation License) 2009. Asociación Mundial de Energía Eólica WWEA: http://www.wwindea.org/home/index.php http://www.energiaslimpias.org/ Máquinas eléctricas. Stephen J. Chapman Editorial: Mc Graw Hill ISBN 958-41-0056-4