Generadores eólicos (primera parte)
Planteamiento del problema
Bolivia como país desde el punto de vista económico se encuentra en una posición muy baja, con respecto al desarrollo del continente en su totalidad.
Al ser esta posición desfavorable, las consecuencias internas son grandes y variadas, e inciden directamente en la población y sus medios de subsistencia. Uno de estos medios es irreparablemente la energía eléctrica; en Bolivia el tendido eléctrico es reducido y no abastece la necesidad humana, por varias razones entre las cuales la más importante quizás sea la densidad del factor humano (6,48 hab./km²), la lejanía entre urbes y la mala distribución del mismo.
Justificación
La tesina está dirigida hacia la búsqueda de mejores recursos alternativos y económicos que abastezcan las necesidades imperantes en el olvidado altiplano boliviano como ser la dotación de energía eléctrica.
La energía de tipo eólica ha dado muy buenos resultados en países desarrollados; este no es el caso de Bolivia debido a que el aprovechamiento de ese recurso tan disponible e inagotable como es el viento no ha sido difundido de una manera significativa; pero, la construcción de un aeromotor casero es sencilla y barata con su consecuente aprovechamiento económico. Por lo tanto mediante este trabajo se busca el proponer una posibilidad de obtener electricidad casera, vale decir a mediana escala, para poblaciones rurales alejadas del cableado eléctrico e incluso para zonas urbanas que deseen un medio limpio y relativamente sencillo de abastecimiento.
Hipótesis
"Es posible, aprovechar la energía eólica, en el altiplano, como un medio alternativo de abastecimiento interno de energía eléctrica a mediana escala dentro las fronteras de la población rural".
Generalidades
Aerogeneradores: energía accesible
Los aerogeneradores, tienen diversas aplicaciones específicas, ya sea eléctricas o de bombeo de agua, mediante el aprovechamiento y transformación de energía eólica en energía mecánica. Se entiende por energía eólica a los vientos que existen en el planeta producto de fenómenos que se estudiaran más adelante.
Esta energía, es inagotable, no contamina; y aunque la instalación de uno de estos aparatos es relativamente costosa y morosa, a la larga se sentirán los resultados positivos, especialmente en el campo económico.
Un punto que vale hacer notar, es la autonomía frente a la fuente más cercana accesible, que en este caso es la Empresa Nacional de Energía (ENDE). Esta última no siempre se presenta en los pueblos alejados, por el costo que supone instalar una red hacia aquellos.
Historia de los aerogeneradores
Es importante destacar e interesante además, algunas fechas dentro de la tecnología eólica y de la utilización de aeromotores.
En el siglo V a.C. se encuentran los primeros aeromotores en Asia: son máquinas de eje vertical iguales a las denominadas panemonas de algunas islas griegas. Más o menos por la misma época, en Egipto se utilizaban molinos de eje vertical para moler grano y bombear agua, también en la zona de Sijistán entre Irán y Afganistán.
Todos estos molinos tenían el mismo principio: transformar la energía eólica en energía para el bombeo de agua y la molturación del grano entre otras.
En el siglo VII d.C. se da origen a los primeros modelos rústicos de los clásicos molinos holandeses que hoy en día son mecánicamente sofisticados. O los aeromotores para el bombeo de agua que progresa con la invención de las multipalas en 1.870 por los americanos.
Fue en el año 1.802 cuando Lord Kelvin trató de asociar un generador eléctrico a un aeromotor para la producción de energía eléctrica.
Hacia el año 1.920 la energía eólica obtiene cierto éxito, pues habían trescientos constructores de estos aparatos.
El estudio en los campos de la aerodinámica permitió alcanzar enormes progresos en los aeromotores, esto hasta el año 1.961; desgraciadamente en ese año el precio del petróleo bajó, poniendo al kilowatt "eólico" a precios inaccesibles. Todas las máquinas fueron desmontadas y vendidas al precio de chatarra.
Desde el año 1.973 ocurre el proceso inverso, impulsando programas de estudio y realización de aerogeneradores. La demanda en países industrializados es mínima. Pero no obstante la demanda en países tercermundistas aumentó de nivel, esto por el obvio bajo costo de producción e instalación de estos aparatos en comparación a las ganancias retribuidas.
En Bolivia, existen aeromotores de bombeo particulares, pero hasta ahora, no se hizo ninguna prospección, para la instalación de los aerogeneradores eléctricos o estos trabajos nos son desconocidos.
Distintas clases de aeromotor
Se definen en general, los aeromotores según la posición de su eje de rotación, con relación a la dirección del viento.
Así se dividen en:
1) Aeromotores de eje horizontal.
- Con el eje paralelo a la dirección del viento
- Con el eje perpendicular a la dirección del viento
2) Aeromotores de eje vertical.
3) Aeromotores que utilizan el desplazamiento de un móvil
1) Aeromotores de eje horizontal.
Eje paralelo a la dirección del viento.
Son las máquinas más difundidas, y con rendimiento superior a las demás. Incluyen aquellas de 1, 2, 3 o 4 palas, además de las típicas multipalas para el bombeo de agua.
Debemos distinguir aquellas de "cara al viento" y aquellas que tiene sus palas situadas de "espalda al viento".
Los aerogeneradores, generalmente van provistos de rotores bipala o tripala (cara al viento), para potencias inferiores a 1 kW (P < 1 kW). Y de espaldas al viento para potencias superiores a 1 kW (P > 1 kW).
Eje horizontal perpendicular a la dirección del viento.
Los aerogeneradores más significativos de eje perpendicular a la dirección del viento, son el de perfil oscilante y el sistema de captación con palas batientes.
Estos sistemas se han estudiado ampliamente, también se construyeron prototipos; pero presentan más inconvenientes que ventajas; en especial necesitan sistemas de orientación igual a los de eje horizontal paralelo al viento. La recuperación de energía es en generalmente complicada y no presenta un buen rendimiento.
2) Aeromotores de eje vertical.
Son presumiblemente, las primeras máquinas que se utilizaron para la captación de energía eólica, ya que son más sencillas que las de eje horizontal; no necesitan ningún sistema de orientación. Lo que constituye una ventaja constructiva. En funcionamiento las palas, los rodamientos y los ejes, no están sometidos a esfuerzos importantes por cambios de orientación. Son de fácil construcción.
El rendimiento es mediocre (el rotor Savonius un 20 % del límite de Betz). No se experimentó un gran desarrollo en estos aparatos.
Existen 3 grandes familias de aeromotores de eje vertical.
a) Aeromotores Savonius.
Esencialmente utilizan el arrastre diferencial creado por las palas que pueden ser de diversas formas. El par de arrastre es elevado, pero la velocidad máxima es claramente inferior a la de los rotores de eje horizontal.
b) Aeromotores Darrieus. (patentes/1.931)
Emplea la sustentación de las palas y están caracterizados por débil par de arranque y velocidad de rotación elevada que permite la recuperación de una gran potencia.
Para mejorar el par de arranque se pueden acoplar otro tipo de rotores haciéndolo mixto (Savonius-Darrieus).
Este tipo de máquinas son susceptibles de competir con los aeromotores rápidos, bipalas y tripalas de eje horizontal; son objeto de estudio y desarrollo.
Razón de la elección del aeromotor de eje horizontal bipala
Los aeromotores de eje horizontal paralelo a la dirección del viento, son los más extendidos, por tener el mejor rendimiento en relación a la energía máxima recuperable, conocida como límite de Betz. En esta tesina, nos limitaremos de este tipo de aeromotores para la generación de electricidad.
Configuración de una estación eólica
Cualquier estación eólica destinada a la producción de energía eléctrica tiene según el siguiente organigrama esta configuración:
Organigrama de una estación de suministro de energía por aerogenerador.
Constitución de un aeromotor
Un aeromotor está constituido por las siguientes partes:
1) Un aeromotor de dos palas (o tres, no es nuestro caso), provisto de un sistema de regulación, que confiera al rotor una velocidad de rotación estable a partir de cierta velocidad del viento, y un sistema de seguridad destinado a frenar la máquina en caso de tempestad, si el sistema de regulación es inoperante a altas velocidades
2) Un generador eléctrico que puede estar:
- Directamente acoplado al aeromotor. En el caso más sencillo las palas van directamente montadas en el eje del generador
- Acoplado a un multiplicador, colocado entre el aeromotor y el generador. Se verá que la velocidad de rotación depende del diámetro del rotor y disminuye cuando el diámetro aumenta. Entonces para tener un buen rendimiento, es necesario aumentar las revoluciones del aeromotor antes de acoplarlo al generador
3) Mecanismo de giro, que permita a la máquina estar siempre orientada en la dirección del viento, cualquiera que sea esta. La energía producida en la parte móvil, se transmite por medio de un dispositivo colector asociado al mecanismo de rotación
4) Cárter o armazón, que envuelva y proteja a todas las piezas del conjunto del los factores climáticos
5) Una cola, en el caso de que la máquina funcione de cara al viento, para obtener una orientación según los movimientos de la masa de aire
En la siguiente figura se representa al aerogenerador de cara al viento con las partes descritas:
Aerogenerador con aeromotor "cara al viento"
Torre de soporte del aerogenerador
Es importante su construcción por varias razones, la cual es mecánicamente sencilla.1) Su altura. El aerogenerador debe estar situado por encima de las perturbaciones causadas por el terreno. La instalación de la torre en el altiplano boliviano no será necesariamente muy alta, debido a la peculiaridad de la configuración geográfica en esta zona
2) Su frecuencia. Cualquier máquina giratoria es siempre asiento de vibraciones; es por tanto, esencial que la frecuencia propia de la torre sea muy diferente a la frecuencia de las vibraciones (fundamentales y armónicas), engendradas por el aerogenerador
3) Mantenimiento. El acceso a la torre debe ser fácil para su buen mantenimiento. En nuestro caso la torre abatible es la que mejores bondades presenta
4) Robustez. La torre deberá resistir las sobrecargas producidas, como ser: esfuerzos ocasionados por funcionamiento anormal, ráfagas de viento, y turbulencias
5) Forma. Preferiblemente no angular, para evitar esfuerzos innecesarios en la misma torre mejorando así el flujo de corrientes de aire
Dispositivo para el almacenamiento de la energía producida
La estación eólica deberá disponer de un medio para el almacenamiento de la energía producida, esto con el fin de abastecimiento en períodos de calma atmosférica. En general el medio más accesible para este propósito son los acumuladores de plomo.
Vale hacer notar que una parte importante de la inversión esta dirigida a este campo. Aproximadamente de un 20 % a 50 % del total del costo.
Fuente energética de apoyo
Según la capacidad del aerogenerador, su utilización y los regímenes de viento, puede ser necesario el uso de fuentes de apoyo.
1) Para garantizar el funcionamiento continuo de la instalación en caso de fallo en el aerogenerador
2) Para disminuir el uso de almacenadores
A este objetivo, se perfilan dos grandes representantes:
1) Motores de explosión (combustión interna), a diesel o gasolina u otro derivado del petróleo
2) Batería de acumuladores cargada por células fotovoltaicas
Dispositivo para vigilar el estado de las baterías de acumuladores
A pesar de ser los acumuladores de plomo el medio más barato y fácil de instalar, necesitan una vigilancia muy severa.
Los acumuladores de plomo, son extremadamente sensibles a regímenes de descarga y sobrecarga prolongados. Por lo tanto es indispensable instalar un sistema manual o automático de vigilancia.
Este dispositivo deberá asegurar prioritariamente:
1) El corte de la corriente de carga de la batería cuando está completamente cargada
2) La conmutación del circuito de utilización hacia la fuente de apoyo, si existe, cuando la batería esté descargada
3) La protección de los distintos elementos de la instalación mediante fusibles
4) Los medios para medir el buen funcionamiento de la estación (valor de la corriente de carga, de la tensión dada por aerogenerador, etc.)
Autor: Aldo Barbera Saal, Erich Rude Cuzmar, David Mercado Mendoza. Bolivia.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).
Historia de los aerogeneradores. Distintas clases de aeromotor. Razón de la elección del aeromotor de eje horizontal bipala.