Generación eólica

Generación Eólica Concepto: Es la energía cuyo origen proviene del movimiento de masa de aire.

Generación eólica .En la tierra el movimiento de las masas de aire se deben principalmente a la diferencia de presiones existentes en distintos lugares de esta, moviéndose de alta a baja presión, este tipo de viento se llama viento geoestrófico. Para la generación de energía eléctrica a partir de la energía del viento interesa el origen de los vientos en zonas mas especificas del planeta, estos vientos son los llamados vientos locales. Entre estos están las brisas marinas que son debida a la diferencia de temperatura entre el mar y la tierra , también están los llamados vientos de montaña que se producen por el calentamiento de las montañas y esto afecta en la densidad del aire y hace que el viento suba por la ladera de la montaña o baje por esta dependiendo si es de noche o de día.

Factores que influyen en la cantidad de potencia del viento

La energía eolica es aprovechada por nosotros básicamente por un sistema de un rotor que gira a medida que pasa viento por este.

La potencia del viento depende principalmente de 3 factores:

• Área por donde pasa el viento (rotor)
• Densidad del aire
• Velocidad del viento

Para calcular la formula de potencia del viento se debe considerar el flujo másico del viento que va dado por:

• Densidad del viento
• Área por donde pasa el viento

• Velocidad del viento

Dado que la energía del viento depende la velocidad del viento, ¿Cual seria la energía potencia que entrega el viento?Para calcular la potencia promedio que es aprovechada por el rotor debemos usar la llamada ley de Betz que es demostrada de la siguiente manera:

Comparación entre las potencias

El grafico muestra las potencias del viento, la extraída por el rotor y la potencia transformada a electricidad. La extraída por el rotor esta limitada por la ley de Betz y la transformada a electricidad esta limitada por la eficiencia del generador. Como la potencia entregada dada por el generador eólico depende de la velocidad del viento la eficiencia va ha depender también de la velocidad del viento registrándose eficiencias máximas del orden de 44%Hay que tener además bien en claro que para la lograr una eficiencia alta como la que sale aquí es necesario muchos gastos que aumentarían el costo de producir un Kw. mas, por lo tanto máxima eficiencia no implica menor costo de generación

Energía eléctrica disponible en un aerogenerador

Los fabricantes por lo general entregan la curva de energía eléctrica disponible versus las velocidades a diferentes parámetros de la distribución de weibull: Los distintos colores representan las distintas distribuciones probabilísticas de los vientos en año a distintas velocidades, uno esperaría que a medida que aumentamos la velocidad la energía debería estar a una función cúbica de esta, sin embargo esto nos se produce ya que la eficiencia de los aerogeneradores no es constante, por lo tanto la tendencia es más bien lineal.

Funcionamiento de un aerogenerador

El aerogenerador consta de varias partes:

• Palas del rotor: Es donde se produce el movimiento rotatorio debido al viento.
• Eje: Encargado de transmitir el movimiento rotatorio.
• Caja de engranajes o Multiplicadores: Encargados de cambiar la frecuencia de giro del eje a otra menor o mayor según dependa el caso para entregarle al generador una frecuencia apropiada para que este funcione.
• Generador: Es donde el movimiento mecánico del rotor se transforma en energía eléctrica.

Además de estos componentes básicos se requieren otros componentes para el funcionamiento eficiente y correcto del aerogenerador en base a la calidad de servicio de la emergía eléctrica, alguno de ellos son:

• Controlador electrónico: que permite el control de la correcta orientación de las palas del rotor, también en caso de cualquier contingencia como sobrecalentamiento del aerogenerador lo para.
• Unidad de refrigeración: Encargada de mantener al generador a una temperatura prudente.
• Anemómetro y la Veleta: Cuya función están dedicadas a calcular la velocidad del viento y la dirección de este respectivamente.

Están conectadas al controlador electrónico quien procesa estas señales adecuadamente.

Control de potencia en los aerogeneradores

• Pitch controlled

También llamados por regulación de ángulo de paso, el controlador electrónico lleva un registro de las potencias entregadas por el aerogenerador, si la potencia entregada pasase un valor nominal el controlador hace que el ángulo por donde se recibe el viento cambie de posición lo que hace que cambie el área efectiva por donde pasa el viento y por lo tanto disminuye su potencia absorbida, en el caso que la potencia recibida es muy chica se hace el procedimiento contrario

• Stall controlled

Denominados también regulados por perdida de aerodinámica, las palas del rotor están fijas al eje, las palas del rotor han sido aerodinámicamente diseñadas de tal manera que a medida que aumenta la velocidad del viento se produce paridad de potencia por turbulencias y así se regula la potencia generada.

• Por alerones

Esta técnica consiste en cambiar la geometría de las palas del rotor, sin embargo esto produce fuerzas que pueden dañar la estructura, por lo tanto es sola usada en generadores de baja potencia.

Operación económica de la generación eólica

La energía eólica posee un elemento aleatorio en su generación que es la fuerza del viento análogo a las hidrogeneradoras que su variable aleatoria es las hidrológica. Una operación eficiente de un sistema eléctrico consiste en resolver un problema de optimización el cual considera que:

• Equilibrio de la oferta y la demanda de energía
• Conversión de la energía de recursos primarios
• Capacidad de las plantas y potencias instaladas
• Capacidad almacenada

También este problema de operación económica considera:

• Variabilidad de la demanda a lo largo del año
• Abastecimiento de la demanda en periodos de alta y baja
• Proyección de la demanda en el futuro

Energía eólica en el mundo

El viento se está mostrando como un recurso energético seguro y económico en las instalaciones situadas principalmente en Europa, los Estados Unidos y la India. Los avances tecnológicos de los últimos cinco años han colocado a la energía eólica en posición de competir, en un futuro próximo, con las tecnologías de generación de energía convencionales. El coste de producción de electricidad por la acción del viento en Europa ha disminuido en los últimos 15 años aproximadamente en un 80%, de 0,5 ECU a menos de 0,1 ECU por kWh. En algunos casos incluso se han indicado costes de hasta 0,06 ECU por kWh. Al mismo tiempo, la capacidad instalada ha aumentado enormemente, desde menos de 100 MW hasta 2000 MW en este último año. En comparación, el coste de producción actual de las plantas nucleares y de combustible fósil en Europa oscila entre 0.04 y 0,08 ECU por kWh. En 1995, las turbinas eólicas generaron 7 TWh de electricidad, lo que constituye aproximadamente el 0,06% de la producción total de electricidad en el mundo.

Estas reducciones de coste tan importantes se han conseguido gracias al desarrollo de turbinas eólicas más seguras, más eficientes y más baratas, en combinación con la producción de turbinas más grandes y con una expansión del mercado. Durante los últimos diez años el precio de las turbinas eólicas ha disminuido en un 5% cada año, mientras que al mismo tiempo el rendimiento ha aumentado en un 30%. El diez por ciento de las turbinas eólicas producidas en 1993 tuvo un rendimiento específico (kWh generados por año por metro cuadrado de área de rotor) de más de 100 kWh.m-2.año-1, lo que es más del doble de la cantidad conseguida por un modelo antiguo de 55 kW. Con todo, aún parece haber posibilidades de mejora. La I+D sobre turbinas eólicas concentra la mayor parte de sus esfuerzos en la investigación básica aeroacústica, aeroelástica y aerodinámica, en el desarrollo de alabes flexibles, mástil y suspensión flexibles, y en la aplicación de materiales más ligeros. Una innovación importante es la implantación de sistemas de velocidad variable y generadores de accionamiento directo, lo que disminuye el número de piezas de la máquina, elimina la caja de cambio (tradicionalmente una parte vulnerable de la turbina) y aumenta el rendimiento de la misma. Aplicando estos y otros desarrollos se espera que, en los próximos diez años, el coste de la energía producida por las turbinas eólicas consiga igualar el valor de coste más bajo obtenido por las plantas de energía convencionales. Durante éstos últimos años, el mercado eólico europeo, que domina claramente el mercado eólico mundial, ha aumentado en 250 MW en 1992, 330 MW en 1993, y 440 MW en 1994.

En el mismo período el crecimiento se ha estancado en los EE.UU. Así, Europa ha superado recientemente la capacidad total instalada en los Estados Unidos. El estancamiento del mercado en EE.UU. puede atribuirse tanto al retraso en la reestructuración de la industria eléctrica como a la falta de seguridad en el apoyo del gobierno, lo que ha tenido como consecuencia que las compañías eléctricas se muestren reacias a planificar cualquier aumento de la capacidad. La inseguridad en el mercado de la energía es un importante obstáculo, especialmente para las energías renovables, las cuales generalmente requieren contratos a largo plazo. El desarrollo europeo se ha conseguido gracias a medidas económicas que proporcionan incentivos para la producción de energía eólica, que además se ha visto favorecida por la aceptación social y una mayor conciencia medioambiental.

Obstáculos para la implantación

La energía eólica se enfrenta a ciertos problemas potenciales y reales que pueden obstaculizar su rápida introducción en el mercado mundial de la energía. Los puntos más importantes son los de tipo económico, de integración en la red y los medioambientales: impacto visual, producción de ruido e impacto sobre las aves.

La energía eólica sólo puede entrar en el mercado eléctrico si se produce a un coste competitivo. Los costos de producción de la energía eólica son, todavía, más altos que los de producción de energía a partir de combustibles fósiles. Por consiguiente, es esencial para su competitividad reducir estos costes. Sin embargo, la competitividad de la energía eólica mejoraría notablemente si el cálculo del precio de la electricidad se basara en los costes totales de la misma, es decir, los costes de producción que afectan directamente a la empresa productora más los costes de externalidad que recaen en la sociedad en su conjunto.

El aspecto ambiental más importante es el impacto visual sobre el paisaje. Aunque una gran mayoría de la gente apoya la idea de utilizar energía eólica, muchos se preocupan por el impacto sobre el paisaje.

Por esta razón, la construcción de parques eólicos debe considerarse con un cuidado especial al planificar el espacio a nivel local, regional y nacional. La práctica más segura es evitar la instalación de turbinas eólicas en terrenos de alto valor ecológico y construir las plantas de energía eólica en estrecha cooperación con la comunidad local, teniendo en cuenta el uso del terreno existente: agrícola, comercial o recreativo. La creación de plantas de energía eólica en alta mar puede reducir el impacto visual.

El ruido de las turbinas eólicas puede crear problemas en áreas rurales especialmente tranquilas, sobre todo si las turbinas están situadas cerca de las casas. El ruido es producido por los álabes y la carcasa. El nivel de potencia de sonido, como medida normalizada, para una máquina tipo varía entre 98 y 101 dB(A). El nivel aceptable de ruido fijado por las autoridades locales en Europa y en EE.UU. en la fachada de una vivienda varía entre 35 y 65 dB(A). Así por ejemplo, para limitar el ruido a 45 dB(A), es necesario no sobrepasar una distancia de unos 250 metros de la casa más próxima. La industria eólica considera que aún hay posibilidades de mejora, y estima que dentro de tres años se podrá obtener un nivel de ruido de 96 dB(A). Para esto será necesario disminuir la velocidad rotacional, es decir, introducir el concepto de velocidad variable, que reduce la velocidad de los álabes en períodos de suministro de viento bajo.

El impacto sobre las aves puede ser otro problema. Sin embargo, el número de accidentes por kilómetro de parque eólico es mucho menor que el que tiene lugar en una autopista. Por esta razón, la Royal Society for the Protection of Birds (Reino Unido) y el grupo holandés "Vogelbescherming Nederland", afiliado a Birdlife International, no consideran los parques eólicos como un peligro para las aves. Sin embargo, deben evitarse las ubicaciones que interfieran con las rutas de migración.

Los problemas referentes a integración en la red pueden estar relacionados con las circunstancias locales, la calidad de la electricidad (principalmente en términos de estabilidad del voltaje y frecuencia) y la planificación del suministro. Los parques eólicos necesitan estar conectados a la red local. Un suministro grande de energía eólica en un área dada puede sobrepasar la capacidad de las líneas de distribución locales. La cuestión que surge entonces es ¿quién debería pagar el refuerzo de la red local, y quién se beneficiaría de los distintos esquemas potenciales de suministro de energía? Este es un problema que se presenta en los parques eólicos grandes, que requieren líneas de alto voltaje y transformadores. De hecho, algunas instalaciones eólicas interesantes están ubicadas en áreas aisladas y con infraestructuras eléctricas pobres.

La razón principal por la que las compañías eléctricas dudan en introducir los sistemas de energía eólica a gran escala, es la naturaleza intermitente de la fuente, que puede reducir la seguridad del suministro, y por consiguiente disminuir el valor económico del viento. Los estudios de las compañías eléctricas demuestran que la energía eólica representa una cierta garantía de capacidad, aunque con un factor 2 ó 3 veces menor que el valor encontrado para las plantas nucleares y para las que emplean combustibles fósiles. La garantía de capacidad mejora substancialmente cuando la energía eólica se combina con otros tipos de generadores eléctricos renovables, o por la aplicación de sistemas de almacenamiento de energía. Se han realizado cálculos que demuestran que el factor de compatibilidad carga/recursos no se reducirá de modo significativo por participación de hasta un 10% de energía eólica en un mercado de electricidad europeo abierto, y este porcentaje, según la EWEA, podría alcanzarse en el año 2030.

Fuente

• Fuentes de generación alternativas