DISEÑO DE CENTRALES EÓLICAS

El químico estadounidense Robert Curl (laureado con el premio Nobel en 1996) declaró recientemente en Ciudad de México sobre la necesidad de implementar “urgentes medidas” lo más pronto posible para enfrentar los problemas que a futuro generarán tanto la escasez de combustibles fósiles como el calentamiento global. Propone el científico el empleo masivo y combinado de recursos renovables (agua, aire, luz solar y biocombustibles), lo cual no es ya algo novedoso para nosotros, pero nos hace recordar de manera latente aquello que hoy apenas sentimos, así como también de ver la realidad…no tenemos mucho tiempo para actuar ni muchas alternativas para elegir.
En este blog hemos dedicado espacio a las energías renovables, faltándonos aún el referente a la “eólica”, esto es, el aprovechamiento de las corrientes de aire, que comúnmente llamamos “viento”. Discutiremos aspectos básicos en el diseño e implementación de centrales eólicas considerando criterios técnicos y económicos.
Es importante tener presente que la velocidad del viento varía con la altura y depende fundamentalmente de la naturaleza del terreno sobre el cual se desplazan las masas de aire. La variación de velocidad puede representase mediante la siguiente expresión:
Donde V1 y V2 representan las velocidades del viento a las alturas h1 y h2, respectivamente.
El exponente α caracteriza al terreno, pudiendo variar entre 0,08 (sobre superficies
lisas como hielo, lagunas, etc.) y 0,40 (sobre terrenos muy accidentados).
La producción de energía por una turbina eólica o aerogenerador va en función de la velocidad del viento. La relación entre la velocidad del viento y la energía está definida por la curva de potencia, que es única para cada modelo de turbina y, en algunos casos, única para las características de un sitio específico. En general, la mayoría de los aerogeneradores empiezan a producir energía a velocidades de unos 4 m/s, logran la potencia nominal a aproximadamente 13 m/s, y se detiene la producción de energía a 25 m/s. La variabilidad en los recursos eólicos hace que el aerogenerador en funcionamiento esté continuamente cambiando los niveles de potencia.

La correcta utilización de la energía eólica exige tomar en cuenta velocidades medias, ráfagas, direcciones dominantes y eventuales obstáculos para seleccionar tanto los lugares de emplazamiento como las características constructivas (altura de la torre, velocidades máximas que soportan, velocidad de puesta en marcha, etc.) de las máquinas a instalar.

Dimensionado básico:
El rotor y la torre de soporte son los componentes fundamentales de una central eólica. Sus dimensiones están en función de la potencia que se desea obtener, ver la tabla siguiente (se entiende que la “altura de la torre” es la distancia entre el nivel del suelo y el eje central de giro del rotor):

El tipo de rotor, según la aplicación, es también importante. Los rotores pueden ser horizontales o verticales (ver las figuras en nuestra página de facebook). Véanse también las tablas siguientes:

Potencia máxima obtenible
La energía teórica máxima por unidad de tiempo que podremos extraer de una masa de aire en movimiento, será:


Expresión que también es conocida como “potencia meteorológica”, donde ρ es la densidad del aire (1.2929 kg/m3 a 0°C a nivel del mar), Cp es el “Coeficiente de potencia” o de Betz, definido como:

V1 y V2 son las velocidades de entrada y salida, respectivamente, del aire en el rotor.
Si se considera a Cp como función de V2/V1, el valor máximo de la misma será para V2/V1 = 1/3, esto es Cp = 16/27 = 0,5926, valor conocido como “Límite de Betz”, que indica un rotor con eficiencia h del 100%. En la práctica, la eficiencia típica de los rotores oscila entre el 35 y el 45%.

Coeficiente de potencia versus índice de velocidad λ (λ= wR/ V, w y R frecuencia de giro y radio del rotor, respectivamente y V es la velocidad del viento).

Generadores de turbinas eólicas:

El aerogenerador convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Los aerogeneradores son algo inusuales, si se les compara con los otros equipos generadores que suelen encontrarse conectados a la red eléctrica. Una de las razones es que el generador debe trabajar con una fuente de potencia (el rotor de la turbina eólica) que suministra una potencia mecánica muy variable (momento torsor).

Opciones de diseño en generadores y conexión a red:

Las turbinas eléctricas pueden ser diseñadas tanto con generadores síncronos como asíncronos, y con varias formas de conexión directa o conexión indirecta a red del generador. La conexión directa a red significa que el generador está conectado directamente a la red de corriente alterna (generalmente trifásica). La conexión indirecta a red significa que la corriente que viene de la turbina pasa a través de una serie de dispositivos eléctricos que ajustan la corriente para igualarla a la de la red. En generadores asíncronos esto ocurre de forma automática.


Rentabilidad de una central eólica:

Puede calcularse mediante la expresión:

Donde:
COE = Costo de generación de energía ($/Kw)
IC = Costos de inversión en equipos ($)
E = Energía generada al año (Kwh/año), que a su vez se define como: E = P x T,
donde P = potencia nominal del aerogenerador (Kw), T = horas de generación con máxima potencia; T= FC x 8760, FC = Factor de carga.

a = Tasa de anualidad de los costos de capital.
OM = Costos de operación y mantenimiento, se puede calcular como un porcentaje de la inversión IC, variando según el aerogenerador entre 0,5% y 3,5%.
b = Costos anuales de servicio (b = a + OM)
La tasa de anualidad “a” depende del interés y del tiempo de amortización en años, y está definida para diferentes intereses y diferentes tiempos de amortización. Pero sin duda las diferencias más grandes resultan de los costos específicos de inversión (BIC = IC/E), es decir, de los costos totales de inversión y de la energía generada anualmente.
El factor de carga es la producción anual de energía dividida por la producción teórica máxima, si la máquina estuviera funcionando a su potencia nominal (máxima) durante las 8766 horas del año.
Ejemplo: si una turbina de 600 kW produce 1,5 millones de Kwh. al año, su factor de carga es 1.500.000:
(365,25 x 24 x 600) = 1.500.000 / 5.259.600 = 0,285 = 28,5 por ciento.
Los factores de carga pueden variar en teoría del 0 al 100, aunque en la práctica el rango de variación va del 20 al 70 por ciento, y sobretodo alrededor del 20 al 30 por ciento.
El costo de inversión promedio para turbinas de gran tamaño (1.5MW a 5MW), se calcula como U$1.500/kW instalado (considera los costos fijos por operación y mantención).
La velocidad del viento influye significativamente en el COE, tal como puede apreciarse en la gráfica siguiente:

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

*INTEGRATION OF ALTERNATIVE SOURCES OF ENERGY - Felix A. Farret & M. Godoy Simoes – 2006 - IEEE PRESS - John Wiley & Sons, Inc.

*DISEÑO DE AEROGENERADORES - ETSII. MÁQUINAS HIDRÁULICAS -
Manuel Leal Rubio/Aitor Domínguez Martín/Alvaro León Reneses/Agustín Marcos Barrio/Alfonso Arbeteta Durán/ Emilio Lechosa Urquijo.

*GUIDELINES FOR DESIGN OF WIND TURBINES - DNV/RISO

*ENERGÍA EÓLICA - INSTITUTO ARGENTINO DE LA ENERGÍA "GENERAL MOSCONI" - Jaime Moragues y Alfredo Rapallini.

*MANUAL PRÁCTICO DE ENERGÍA EÓLICA - Walter Hulshorst (ECON internacional)/ Victor Criado (Universidad Politécnica de Madrid).