viernes, 16 de agosto de 2019

Centrales Hidroeléctricas


Energía Hidroeléctrica:


El agua proveniente de la evaporación de los océanos, además de servir para otros fines, tales como riego, limpieza, enfriamiento, consumo, et, que lo convierten en un líquido vital para los seres humanos, se utiliza también para accionar máquinas giratorias llamadas turbinas, que a su vez mueven generadores que transforman la energía mecánica en energía eléctrica.

Esquema de funcionamiento


Las plantas hidroeléctricas aprovechan los caudales y caídas de agua. Todo comienza cuando el sol calienta las masas de agua, de su evaporación se forman nubes y eventualmente lluvia que fluye a través de caudalosos ríos.  El agua en estos ríos tiene una gran energía mecánica y potencial, y para aprovechar esta energía se seleccionan cauces de ríos que tienen algunas características importantes que incluyen amplio caudal de agua y diferencias importantes de altura a corta distancia.
El ciclo hidrológico continua con la formación  arroyos y ríos que descienden de la montaña a las llanuras y al mar, completándose de esta manera el ciclo termodinámico (Caldera: Sol, Condensador: Atmosfera.) En este recorrido del agua de los ríos es posible aprovechar parte de la energía que posee y obtener trabajo útil, que de otra manera se perdería en rozamientos. En efecto en un punto determinado del rio, el agua posee energía cinética y energía potencial. La primera es pequeña comparada con la segunda ya que raramente excede los 20J/kg, mientras que la energía potencial puede superar los 3000J/kg.

Ciclo hidrológico 

Ciclo de la energía hidráulica:


En los cursos naturales de agua, la energía hidráulica de disipa en remolinos, erosión de las riberas, causes, choque y arranques de material de las rocas sueltas y en los ruidos del torrente, etc. Para extraer esta energía y convertirla en energía mecánica utilizable, es preciso eliminar las pérdidas naturales creando un cauce natural donde el agua fluya con pérdidas mínimas y finalmente, convertir la energía potencial disponible en energía mecánica por medio de máquinas apropiadas como turbinas o ruedas hidráulicas.
En muchos aprovechamientos es posible reducir un mínimo de estas pérdidas hidráulicas, y la altura de salto así recuperada aprovecharse en la central hidroeléctrica. Para ello existen fundamentalmente dos métodos:

  • Primer método: Desviación de la corriente.
  • Segundo método: Interceptación de la corriente con un dique o presa.


El primer método consiste en derivar el caudal del rio desde el punto “A” a lo largo de la ladera siguiendo el recorrido con una ligera pendiente respecto de las líneas de nivel hasta el punto “B” en donde arrancan unas tuberías que llevan el agua hasta la central ubicada en el punto “C”. El recorrido del agua en este caso va desde el punto “A” a través de la superficie del lago hasta la toma de agua situada cerca de la presa en el punto “B”, y de aquí a las turbinas que se encuentran en la casa de máquinas o central (punto C).


Esquema de aprovechamiento por derivación


El segundo método de aprovechamiento consiste en interceptar la corriente del rio mediante una presa, con lo que se eleva el nivel del rio, disminuyen la velocidad media de la corriente y las perdidas. La construcción de la presa se hace aprovechando las zonas angostas del cauce, para cerrar el valle, logrando de esta forma obtener un reservorio, embalse o lago artificial.

Aprovechamiento por intercepción


Aprovechamiento por intercepción



Magnitudes hidráulicas:


  • La potencia eléctrica que se obtiene en una central es directamente proporcional a la altura del salto de agua y al caudal instalado. Estas magnitudes son fundamentales a la hora de plantear la instalación de una planta de producción hidroeléctrica por lo que es importante definir algunos términos:
  • Cota. Valor de la altura a la que se encuentra una superficie o punto respecto el nivel del mar.
  • Salto de agua. Paso brusco o caída de masas de agua desde un nivel, más o menos constante, a otro inmediatamente inferior. Numéricamente se define como la diferencia de cota (altura del salto)
  • Caudal. Cantidad de líquido que circula a través de cada una de las secciones de conducción abierta o cerrada (m 3 /s).


La altura del salto es la distancia vertical de desplazamiento del agua en el aprovechamiento hidroeléctrico. Se han de tener en cuenta 3 definiciones:

  • Salto bruto, o distancia comprendida entre el nivel máximo aguas arriba del salto y el nivel normal del río donde se descarga el caudal turbinado.
  • Salto útil, o desnivel comprendido entre la superficie libre del agua en el punto de carga y el nivel de desagüe de la turbina.
  • Salto neto, o altura del salto que impulsa la turbina y que es igual al salto útil menos las pérdidas de carga producidas a lo largo de la conducción forzada, si existiese.


Se denomina caudal instalado o turbinado de una central al caudal total que absorberán todas las turbinas instaladas en su funcionamiento normal (suma de los caudales nominales de todas las turbinas) este caudal no puede ser ni el caudal máximo registrado en el lugar, ni el caudal mínimo. En el primer caso el rendimiento de la central seria bajo al funcionar las turbinas durante mucho tiempo lejos del régimen nominal, que generalmente es el de máximo rendimiento; siendo además mayor el costo de una central con equipo sobre dimensionado; en el segundo caso quedaría sin utilizar durante mucho tiempo gran parte del caudal disponible.
La selección del caudal instalado en cada nueva instalación se hace por medio de un estudio técnico-económico, basado en las variaciones diarias, mensuales y anuales del caudal del río en el lugar de la instalación que se registran en las curvas hidrógrafas; así como en el precio de maquinaria e instalaciones, demanda y precio de venta de la energía, etc.
La hidrógrafa es la curva que tiene por abscisas los días del año y como ordenada los caudales. La hidrógrafa que se muestra se ha trazado con los caudales medidos en un lugar de un río, día tras día de un año determinado.
Hidrógrafa fluvial


Funcionamiento:


La energía eléctrica no se puede almacenar, debe ser consumida en el mismo instante en el que se produce. esto significa que se debe conocer en todo momento la cuantía en la que va a ser requerida, o al menos tener una previsión lo más aproximada posible, para estar en condiciones de generarla. La evolución de la demanda de energía eléctrica en función del tiempo se denomina curva de demanda, presentando máximos y mínimos que corresponden a las horas de mayor y menor consumo, respectivamente, denominados horas punta y horas valle. La forma de la curva se puede generalizar para los distintos días del año,  aunque la cifra asociada a los puntos que representan la misma, lógicamente, varía de un día a otro. Independientemente del mes y del día, siempre hay que ajustarse a la demanda y producir, con los diferentes tipos de centrales que se disponga, la energía solicitada en cada instante.
En este ajuste continuo de la producción a la demanda es necesario disponer de centrales cuya potencia pueda ser fácilmente regulable, con una gran flexibilidad de operación. Las centrales hidroeléctricas presentan estas características jugando un papel muy importante en el conjunto del parque de centrales de generación de energía eléctrica de cualquier país. Son instalaciones con una alta velocidad de respuesta ante los cambios de demanda, lo que quiere decir que en unos minutos (2 - 3 en los grupos más modernos) pasan de estar paradas a dar la potencia nominal. Esto no ocurre con las centrales de combustible fósil o nuclear, que necesitan desde 6 - 8 horas hasta más de 18, dependiendo de las condiciones en las que se produzca el arranque de las mismas. Por todo esto, las centrales hidroeléctricas se convierten en instalaciones más adecuadas para cubrir las puntas de demanda, así como para cubrir las bajas imprevistas de otras centrales.
La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. 


Esquema central

El agua de los ríos es retenida por medio de presas y luego es conducida por túneles y tuberías de alta presión hacia terrenos más bajos, al llegar a la planta generadora, el agua lleva ya una enorme cantidad de energía, la que se aprovecha para hacer girar turbinas que accionan el alternador y produce la corriente eléctrica.
Dependiendo de las condiciones se utilizan distintos tipos de turbinas. Si la caída de agua es importante se utilizan turbinas Pelton. Si las caídas son medianas turbinas Francis y si son pequeñas turbinas Kaplan. Las turbinas a su vez hacen girar un generador que produce la electricidad, ésta pasa a los transformadores y luego es transportada a los sitios de consumo a través de las líneas de transmisión.

Un sistema hidroeléctrico debe tener la máxima eficiencia, para lo cual es necesario tomar en cuenta:

  1. Que la carga H que representa la altura sobre el nivel del mar sea utilizada en uno o varios pasos, con plantas escalonadas. En la realidad actual, cuando tan costosa es la energía, no se puede permitir que un río fluya libremente al mar sin haber estudiado la utilización al máximo de su energía potencial.
  2. Que las eficiencias de las obras de toma y de conducción sea máxima.
  3. Que la eficiencia de la conversión de la turbina que convierte la energía hidráulica en mecánica sea óptima.
  4. Que la eficiencia del generador eléctrico que transforma la energía mecánica en eléctrica también lo sea.
  5. Finalmente, la eficiencia de la transmisión eléctrica desde el punto de generación hasta los puntos de consumo, debe ser optimizada.


Generación hidroeléctrica en el mundo:


La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. En el año 1882, un mes después de entrar en funcionamiento la Central de Pearl Street, en Nueva Cork, primera central térmica dirigida por Edison, entraba en funcionamiento tambien la central hidroeléctrica en el estado de Wisconsin. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.
La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX. A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, la hidroelectricidad representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento. Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), Zaire (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo.

En la gráfica que se presentan se puede observar la importancia de los recursos hidráulicos en la generación eléctrica:

Porcentajes de generación hidroeléctrica 

Las ventajas de las centrales hidroeléctricas son evidentes:

  1. No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita.
  2. Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua. Se puede producir trabajo a temperatura ambiente.
  3. A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación y aún ornamentación del terreno y turismo.
  4. Los costos de mantenimiento y explotación son bajos.
  5. Las obras de Ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración considerable.
  6. La turbina hidráulica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos.

Eficiencia de los diferentes recursos energéticos

Contra estas ventajas deben señalarse ciertas desventajas:

  1. Los costos de capital por kilovatio instalado son con frecuencia muy altos.
  2. El emplazamiento, determinado por características naturales, puede estar lejos del centro o centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de electricidad, lo que significa un aumento de la inversión y en los costos de mantenimiento y pérdida de energía.
  3. La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas.
  4. La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año.
  5. La inundación del terreno tras la presa para formar el depósito desplaza a pobladores y destruye áreas extensas de terrenos agrícolas, hábitats de vida silvestre y espacios naturales.
  6. La evaporación aumenta la salinidad del agua rebalsada, lo que disminuye su utilidad para el riego.
  7. Los embalses se llenan de cieno y pierden su utilidad entre 40 y 200 años.
  8. Los embalses interrumpen la migración y desove de peces.
  9. Los embalses privan a las tierras de cultivo y estuarios de los nutrientes vitales originados del cieno que se deposita en las crecidas anuales.


miércoles, 14 de agosto de 2019

Introducción a la Energía Hidráulica


¿Qué es la Energía Hidráulica?

 Energía hidráulicaenergía hídrica es aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinéticas y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. Se puede transformar a muy diferentes escalas. Existen, desde hace siglos, pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río, con una pequeña represa, mueve una rueda de palas y genera un movimiento aplicado generalmente a molinos o batanes. Sin embargo, la utilización más significativa la constituyen las centrales hidroeléctricas de represas.
Generalmente se considera como un tipo de energía renovable puesto que no emite productos contaminantes. Otros consideran que produce un gran impacto ambiental debido a la construcción de las presas, que inundan grandes superficies de terreno y modifican el caudal del río y la calidad del agua.

Central Hidroeléctrica


Transformación de la energía hidráulica:

La principal aplicación de la energía hidráulica en la actualidad es la obtención de electricidad. Las centrales hidroeléctricas generalmente se ubican en regiones donde existe una combinación adecuada de lluvias y desniveles geológicos favorables para la construcción de represas. La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial y cinética de las masas de agua que transportan los ríos, provenientes de la lluvia y del deshielo. En su caída entre dos niveles del cauce, se hace pasar el agua por una turbina hidráulica, la cual transmite la energía a un alternador que la convierte en energía eléctrica.
Otro sistema que se emplea es conducir el agua de un arroyo con gran desnivel, por una tubería cerrada, en cuya base hay una turbina. El agua se recoge en una presa pequeña y la diferencia de altura proporciona la energía potencial necesaria.
Otro más consiste en hacer en el río una presa pequeña y desviar parte del caudal por un canal con menor pendiente que el río, de modo que unos kilómetros más adelante habrá ganado una cierta diferencia de nivel con el cauce y se hace caer el agua a él por una tubería, con una turbina.

Yacyretá


Ventajas:

  • Se trata de una energía renovable de alto rendimiento energético.
  • Debido al ciclo del agua su disponibilidad es casi inagotable.
  • Es una energía limpia puesto que no produce emisiones tóxicas durante su funcionamiento.
  • Además, los embalses que se construyen para generar energía hidráulica: 
  • Permiten el almacenamiento de agua para la realización de actividades recreativas y el abastecimiento de sistemas de riego. Y lo más importante, permite laminar las crecidas en época de lluvias torrenciales, regulando el caudal del rió aguas abajo.


Ventajas económicas:

  • La gran ventaja de la energía hidráulica o hidroeléctrica es la eliminación de combustibles. El coste de operar una planta hidráulica es casi inmune a la volatilidad de los precios de los combustibles fósiles como petróleo, el carbón o el gas natural. Además, no hay necesidad de importar combustibles de otros países.
  • Las plantas hidráulicas también tienden a tener vidas económicas más largas que las plantas eléctricas que utilizan combustibles. Hay plantas hidráulicas que siguen operando después de 50 a 99 años. Los costos de operación son bajos porque las plantas están automatizadas y necesitan pocas personas para su operación normal.
  • Como las plantas hidráulicas no queman combustibles, no producen directamente dióxido de carbono. Muy poco dióxido de carbono es producido durante el período de construcción de las plantas, pero es poco, especialmente en comparación a las emisiones de una planta equivalente que quema combustibles.


Desventajas:

  • La construcción de grandes embalses puede inundar importantes extensiones de terreno, obviamente en función de la topografía del terreno aguas arriba de la presa, lo que podría significar pérdida de tierras fértiles y daño al ecosistema, dependiendo del lugar donde se construyan.
  • Destrucción de la naturaleza. Presas y embalses pueden ser destructivas a los ecosistemas acuáticos. Por ejemplo, estudios han mostrado que las presas en las costas de Norteamérica han reducido las poblaciones de trucha septentrional común que necesitan migrar a ciertos lugares para reproducirse. Hay estudios buscando soluciones a este tipo de problema. Un ejemplo es la invención de un tipo de escalera para los peces.
  • Cuando las turbinas se abren y cierran repetidas veces, el caudal del río se puede modificar drástica mente causando una alteración en los ecosistemas.
  • ​ Se pueden ver afectadas por casos de fenómenos climáticos.


 ¿Qué es una central mini-hidráulica?

Una central mini-hidráulica es un tipo de especie de central hidroeléctrica, utilizada para la generación de energía eléctrica en pequeña escala, a partir de la energía potencial o cinética del agua.
La energía mini-hidráulica se considera un tipo de energía renovable y se encuentra dentro de la regulación jurídica asociada a estas energías. Las mini centrales han sido muy utilizadas a lo largo del tiempo debido a su pequeño tamaño y por tanto costo inicial y facilidad de instalación, por lo que han sido muy usadas a nivel local o incluso privado.

Existen dos tipos de centrales de mini-hidráulica:


  • Las centrales de “agua fluyente”, en las que desvía el agua de un rio por un canal y tuberías hasta alcanzar una turbina, la cual genera electricidad. Posteriormente el agua se devuelve a su cauce.


"Agua fluyente"


  • Las centrales “a pie de presa”, basan su funcionamiento en el almacenamiento del agua en un embalse, vaciándose por una tubería ubicada en la base de la presa, que va a desembocar en una turbina.



"Pie de presa"


En Argentina


Todas las centrales hidroeléctricas construidas durante la primera mitad del siglo xx en la Argentina serian hoy englobadas en la definición de centrales mini-hidráulicas. Usinas de esas características se continuaron construyendo hasta la década de los 60, y fueron paulatinamente abandonadas a partir de mediados de la década siguiente.

Ya iniciado el sigo XXI, algunas provincias han intentado reactivar pequeñas centrales sin participación del gobierno central, tal es el caso de la provincia de Neuquén, o la de Catamarca.

En la actualidad se hace distinción en esta energía en función de su tamaño y potencia. Media y gran hidráulica, por encima de 10MW. Su impacto ambiental y social puede ser alto. En general los grupos ecologistas no la consideran renovables.

Mini-hidráulica, se considera menos de 10MW. Su impacto ambiental se considera moderado. Se la suele considerar renovable en todos los ámbitos. Puede conectarse a las redes eléctricas existentes o utilizarse en aplicaciones aisladas a la re.

viernes, 2 de agosto de 2019

Aerogenerador de eje horizontal


Los generadores de eje horizontal (HAWT) se utilizan para la producción de electricidad. Tienen un número pequeño de palas, de una a tres, siendo el más utilizado el tripala.
Los HAWT se consideran “eólicas rápidas”, ya que su velocidad específica de diseño es mayor que la de los multipala, calificados como “lentos”.
Existen turbinas eólicas para generación de electricidad que cubren una amplia gama de potencias, desde uno pocos cientos de vatios para producción autónoma (micro eólica) hasta algunos miles de kilovatios (mega eólicas) para la gran producción de energía eléctrica y el posterior envío a la red. 
Actualmente se comercializan eólicas de hasta 5000 kW, que constituye un límite superior de potencia unitaria para los grandes aerogeneradores, difícil de superar por problemas de viabilidad técnica y económica, debido sobre todo a sus grandes dimensiones. 
La evolución del tamaño de los HAWT fue sorprendente. En el año 1980, un generador de 30 kW tenía un diámetro de unos 15 metros, y actualmente un gran aerogenerador de 5.000 kW tiene un diámetro de unos 125 metros. La potencia más utilizada es la comprendida entre 1 y 2 MW, que representan en conjunto las dos terceras partes del mercado. En la figura podemos observar un esquema de un aerogenerador de eje horizontal.

En el mismo podemos distinguir los siguientes elementos principales:

  1. Base y cimientos.
  2. Punto de conexión a la estación transformadora de alta o baja tensión.
  3. Torre de sustentación.
  4. Escalera interior para acceso a la góndola.
  5. Sistema de orientación del rotor hacia el viento.
  6. Góndola.
  7. Generador eléctrico asíncrono o síncrono.
  8. Anemómetro y veleta.
  9. Freno para fijación del rotor.
  10. Caja multiplicadora de velocidad (GEAR BOX).
  11. Pala o álabe del rotor.
  12. Punto de inserción de la pala en el buje.
  13. Buje o nariz del aerogenerador.


Partes del aerogenerador



Góndola





Rotor:

Convierte la energía cinética del viento en energía cinética de rotación en su eje Está formado por palas o Alabes, cubo o buje y nariz.

  • Palas o aspas.


El rotor suele ser tripala o bipala. Los rotores de tres palas tienen menos oscilaciones y un mejor equilibrado de las fuerzas giroscópicas. No requieren buje articulado y producen menor impacto sonoro. Los de tipo bala son más ligeros, de menor costo y más
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rápidos de montar, aportando un ahorro de peso al rotor del orden del 30% con respecto al tripala. Los rotores tripala dominan el mercado mundial.
Las palas tienen un diseño aerodinámico y están construidas con materiales ligeros y resistentes corno fibra de vidrio con resinas epóxicas o fibra de carbono. En grandes aerogeneradores tienen una longitud que puede alcanzar hasta unos 50 m. Las palas se insertan en un elemento denominado buje.
Las palas se pueden proyectar con un ángulo de ataque fijo y un perfil aerodinámico apropiado para que cuando la velocidad del viento alcance un cierto valor, el perfil comience a entrar en pérdida aerodinámica, lo que constituye el control denominado stall o bien proyectarse de forma que pueda variar el ángulo de ataque, mediante el giro de la pala alrededor de su eje longitudinal, lo que constituye el principio del control pitch. En general, los rotores con control pasivo (stall) suelen funcionar en régimen de velocidad de giro constante, mientras que los de control activo (pitch) trabajan a velocidad variable. En este último caso al adaptarse a la variabilidad de la velocidad del viento, aumenta el rendimiento aerodinámico del rotor.

Gráfica velocidad del viento con relación a la altura del rotor


 La figura muestra las curvas de potencia con control pasivo por pérdida aerodinámica (stall) y por control activo del ángulo de paso (pitch).
La velocidad específica, correspondiente al máximo rendimiento es menor en los rotores tripala que en los bipala. Los bipala giran más rápido, y en consecuencia producen mayor nivel de ruido.

La velocidad lineal del extremo de la pala se limita por razones estructurales (fuerza centrífuga, vibraciones, etc.), aerodinámicas y de producción de ruido. En general en eólicas de mediana y gran potencia (500 a 3.000 kVV) y para aplicaciones terrestres, está comprendida en el intervalo de 40 a 85 m/s, limitándose frecuentemente a 70 m/seg. En eólica marina (offshore), como el impacto sonoro es menor, las velocidades son algo mayores que en las aplicaciones terrestres (onshore).
La velocidad de giro de los rotores tripala está comprendida aproximadamente entre 10 y 60 rpm. Siendo en general más pequeña cuanto mayor es el tamaño del rotor. En grandes eólicas son frecuentes valores de 10 a 20 rpm.
Los aerogeneradores con potencia nominal entre 500 y 850 kW tienen diámetros del rotor de 35 a 50 m. Los diámetros de los mega generadores de potencia entre 1 y 3 MW alcanzan valores entre 60 y 100 m. En máquinas de mayor potencia, el diámetro sobrepasa 100 m. El diámetro ha ido creciendo desde unos 20 m en 1980 hasta valores superiores a 100 m en 2005.

Los materiales de las palas deben reunir las siguientes características básicas:

  • Resistencia estructural y en particular a la fatiga originada por tensiones alternas debidas a vibraciones.
  • Baja densidad y resistencia a factores climatológicos (lluvia, nieve, etc.)
  • Fabricación sencilla.
  • Dos son los factores principales para la selección de materiales:
  • Relación resistencia/peso.
  • Costo económico.


Las palas suelen fabricarse con fibra de vidrio impregnada con resina poliéster o resina epoxi, formando un material conocido como fibra de vidrio reforzada con poliéster (GRP, glass fiber reinforced polyester). 
La fibra de vidrio se lamina con fibras en la dirección del eje de la pala para favorecer la resistencia a la flexión, y con fibras en dirección perpendicular a las anteriores para favorecer la resistencia a la torsión.
En general se utiliza la resina epóxica como refuerzo de la fibra de vidrio, en lugar de la de poliéster, ya que permite construir palas más ligeras, con mayor flexibilidad y mejor comportamiento frente a cambios de temperatura y a la acción del agua.
La fibra de carbón o aramidas (Keviar 29 o Keviar 49), reforzada con resina epóxica, presenta muy buenas características por su gran resistencia y su baja densidad, pero en cambio es más cara.
También existen modelos con fibra de vidrio-fibra de carbono y experiencias con materiales compuestos (composites).

Las palas se someten a diversos tipos de ensayos, entre los que se destacan:

Ensayo estático: la pala se somete a una carga extrema durante un tiempo predeterminado (10 a 15 segundos), flexionándose en dos direcciones.
Ensayo dinámico: se somete a oscilaciones de frecuencia igual a la frecuencia natural de las palas. Se realiza un gran número de ciclos de oscilación respecto a los dos ejes principales.
Ensayo de rotura: en nuevos prototipos o nuevos materiales se somete a un ensayo estático con una carga tal que provoque la rotura de la pala, para posteriormente analizar la superficie y los fragmentos de la sección de rotura.

  • Cubo o buje:

El cubo o buje es el elemento al cual se unen las palas. A través del mismo, la potencia eólica captada por el rotor se transmite a la caja variadora de velocidad. En rotores tripala, el cubo es rígido y está formado por una estructura metálica hueca.
  • Nariz:

Es la cubierta metálica de forma cónica que se encara al viento y lo desvía hacia el tren motor. Tiene forma aerodinámica para impedir la formación de turbulencias.

Góndolas o chasis:

La góndola o chasis es el cubículo donde se ubica el generador eléctrico, la caja multiplicadora de velocidad de rotación y los sistemas de control, regulación, orientación y frenado.
Está formada por una estructura metálica, construida con placa y perfiles de acero, colocada en el extremo superior de la torre. Sobre la misma se coloca una cubierta de protección frente a meteoros (lluvia, rayos, etc.).
El acceso del personal de mantenimiento a la góndola es a través de la escalera ubicada en el interior de la torre.

Generación eléctrica en un aerogenerador:

La generación eléctrica se realiza por medio del generador eléctrico situado en la góndola y que se acciona por el rotor eólico. Las tecnologías empleadas en la producción eólica son:
  • Generador asíncrono: Se distinguen dos tipos: generador asíncrono con rotor en jaula de ardilla y generador asíncrono con rotor bobinado doblemente alimentado.
  • Generador síncrono multipolo: La generación eléctrica se hace en tensión alterna (AC) trifásica y en general en baja tensión (BT), inferior a 1.000V. Siendo 690V la más frecuente. El generador puede ser síncrono de imanes permanentes (multipolo) o con electroimanes o asíncrono (inducción) con rotor en jaula de ardilla o rotor devanado doblemente alimentado.


En general, los generadores síncronos de imanes permanentes y los de inducción (asíncronos) con rotor doblemente alimentado se utilizan con rotores eólicos a velocidad variable, mientras que los de inducción con rotor en jaula de ardilla son más empleados con rotores eólicos a velocidad constante.
  • Generador asíncrono de jaula de ardilla: Debido a la diferencia de velocidades de rotación entre el rotor eólico y el rotor del generador eléctrico ambos se acoplan a través de una caja multiplicadora de velocidad (gear box). El devanado estatórico está conectado a la red a donde se vierte la energía eléctrica generada. El rotor debe funcionar a velocidad constante, aunque en la práctica se admite como máximo variaciones del 1%. El rotor en jaula de ardilla presenta el inconveniente de consumir energía reactiva de la red, y para evitar esta dependencia en muchos casos se colocan baterías de condensadores en paralelo con el devanado estatórico para suministrar esta energía reactiva.

En algunos modelos, para aprovechar mejor el campo de velocidades del viento, se emplean generadores asíncronos con rotor en jaula con dos juegos de pares de polos. A bajas velocidades de viento se conmuta a un mayor número de polos, aunque para ello puede ser necesario desacoplar el generador de la red.
Actualmente debido a los avances de los sistemas de electrónica de potencia, se conciben sistemas basados en el motor asíncrono a velocidad variable, con acoplamiento a la red a través de un convertidor de frecuencia.

  • Generador asíncrono de rotor bobinado con doble alimentación: Es una de las tecnologías que permiten el uso de un rotor eólico que gire a velocidad variable. Un sistema de electrónica de potencia alimenta en intensidad los arrollamientos del devanado del rotor, mientras que el devanado estatórico se conecta directamente a la red, hacia donde se envía la energía eléctrica generada. 

La frecuencia de la corriente que alimenta el devanado del rotor es variable, lo que permite que las frecuencias eléctricas y mecánica de rotación sean diferentes y por lo tanto pueda funcionar el generador eléctrico con un rotor eólico a velocidad variable. El control se realiza a través de las corrientes que se inyectan en el rotor del alternador. Se necesita una multiplicadora de velocidad (gear box).

  • Generador síncrono multipolo: también permite hacer funcionar el rotor eólico a velocidad variable. 

El generador síncrono posee un elevado número de polos magnéticos, por lo que se puede prescindir de la multiplicadora de velocidad, de aquí que estos sistemas reciban también el nombre de "transmisión directa". La generación eléctrica se realiza a frecuencia variable y la inyección a red se lleva a cabo a través de un convertidor de frecuencia.

Regulación y control de potencia y de velocidad:

La regulación y control sirve para regular la potencia del rotor, controlar su velocidad de rotación y parar el rotor, sacándolo fuera de la acción del viento para evitar que se dañe cuando la velocidad del viento alcanza valores muy elevados.
En micro y mini eólicas se utilizan muchas veces sistemas de desalineación o desorientación del rotor. En medianas y grandes potencias, si se exceptúan los casos del uso de alerones o flaps, similar al caso del frenado de un avión, los sistemas de regulación y control de potencia más utilizados en turbinas eólicas se clasifican en:
  • Control pasivo de pérdida aerodinámica (stall controlled).
  • Control activo por ángulo de paso variable (pitch controlled).
  • Control activo por pérdida aerodinámica (active stall controlled).


Paso de pala

  1. Sistema pasivo por pérdida aerodinámica stall:

En el sistema pasivo por pérdida aerodinámica (stall) la pala permanece fija, unida rígidamente al buje del rotor. En algunos modelos se permite el giro de su punta o extremo final que actúa como freno aerodinámico. La regulación se consigue por un perfil de la pala diseñado de forma tal que provoca un aumento de la pérdida aerodinámica a medida que aumenta la velocidad del viento.
El proceso es el siguiente: a medida que crece la velocidad del viento alrededor de la pala aumenta la potencia captada por el rotor. Cuando esta velocidad alcanza un cierto valor (velocidad nominal de la curva de potencia del aerogenerador), el diseño del perfil de la pala hace que se comiencen a desarrollar turbulencias de gran importancia y que se inicie la entrada en pérdida aerodinámica de la pala y en consecuencia la potencia se limite, dejando de aumentar. Si la velocidad del viento alcanza un cierto valor (velocidad de desconexión o parada), las pérdidas aerodinámicas son de tal magnitud que conducen al frenado o parada del rotor.
Este efecto es similar al de la pérdida de sustentación del ala de un avión cuando su ángulo de ataque es muy elevado. El sistema acostumbra a acompañarse con un dispositivo auxiliar de frenado (frenado hidro-dinámico). La regulación se completa en ciertos casos con el giro o basculación del eje de giro del rotor, variando el área útil de barrido expuesta al viento. Este sistema es más sencillo y económico que el sistema activo de paso variable (pitch). Se ha empleado en eólicas construidas durante la década de 1990, y aunque sigue empleándose, fundamentalmente en eólicas de mediana potencia, a partir del año 2000 ha ido disminuyendo su utilización a favor del sistema activo pitch en grandes turbinas. El sistema "stall" es muy utilizado en rotores que giran a velocidad constante y que accionan generadores eléctricos asincrónicos con rotor en jaula de ardilla.

Para su correcto funcionamiento se requiere tener presente:
  • Un diseño adecuado de las palas para alcanzar el efecto de pérdida aerodinámica (stall) para las velocidades de viento previstas.
  • Mantenimiento de una velocidad constante con pequeñas variaciones máximas. Esta condición se facilita en el caso de generadores asíncronos por el arrastre de la propia red eléctrica sobre el alternador, que fija la frecuencia de 50 o 60 Hz. Ahora bien, en este caso debe preverse una incidencia consistente en el desenganche de la red, causada por ejemplo por un hueco de tensión. En esta situación, el rotor del generador eléctrico se aceleraría bruscamente al disminuir su par resistente y en consecuencia el generador eólico, produciéndose su embalamiento con riesgo de daños estructurales. Para ello, el rotor debe estar provisto de frenos aerodinámicos y mecánicos para este tipo de incidencias.
  • El efecto stall produce vibraciones y fuerzas de empuje que pueden afectar a las palas y trasmitirse al conjunto de la máquina a través del buje. Por ello, deben proyectarse las mismas con la debida resistencia estructural.


  1. Sistema activo de ángulo de paso variable pitch:

En el sistema activo de paso variable pitch, la pala puede girar sobre sí misma, alrededor de su eje longitudinal, con lo que cambia el ángulo de ataque del viento y en consecuencia varia la fuerza aerodinámica que este ejerce sobre la pala. Así, se puede regular la velocidad de giro y la potencia del rotor de forma continua.
El control se realiza de forma que, para velocidades del viento inferiores a la nominal del aerogenerador, se ajusta el ángulo para extraer del viento la máxima potencia. Por encima de esa velocidad nominal, el ajuste se realiza para mantener constante la potencia captada al viento. El sistema mide continuamente la velocidad del viento, enviando las órdenes de control para que las palas del rotor giren sobre su eje longitudinal y así varíe el ángulo de paso de la pala y en consecuencia la fuerza aerodinámica de sustentación. El accionador suele ser un motor hidráulico y en algunos casos un motor eléctrico paso a paso. En el sistema activo pitch se distinguen dos tipos de regulación de potencia: uno, en el que por el giro de la pala se originan turbulencias y entrada en pérdida de la misma (sistema pitch to stall) y el otro, en el que la regulación de potencia se realiza mediante la variación del ángulo de ataque (sistema pitch to feather). La regulación activa (pitch) permite optimizar la extracción de energía, operar con rotores a velocidad variable, evitando los esfuerzos y vibraciones que presentan los rotores a velocidad constante, y aportando mayor seguridad frente a vientos intensos. En cambio es de mayor costo y requiere mayor mantenimiento que los sistemas pasivos de paso constante.
En los sistemas activos de paso variable existen dos posibles configuraciones:
  • Sistemas en los que gira toda la pala alrededor de su eje longitudinal, cambiando el ángulo de paso de la misma para situarse siempre en condiciones de máximo rendimiento o para sacar a la pala de la acción del viento y parar el rotor.
  • Sistemas en los que el giro se realiza solo en el tramo final de la pala correspondiente al extremo o punta de la misma, de forma similar al funcionamiento del alerón de un avión.


  1. Sistema activo por pérdida aerodinámica (active stall controlled):

Este es un sistema mixto que comparte ambos principios de funcionamiento. La pala puede girar solo unos pocos grados (del orden de 10°) para ajustar mejor su perfil, sobre todo en la zona de vientos intensos, de 18 a 25 m/s. Una vez superada la velocidad de viento nominal, el paso de pala disminuye desde su valor óptimo, en general próximo a 0°, hasta un valor del orden de unos -5°, forzando la entrada en pérdida aerodinámica de la pala.
La ventaja de este método es que se puede controlar la potencia de forma más precisa que si se usa un sistema pasivo y así puede funcionar la máquina en condiciones muy próximas a las de máximo rendimiento para un amplio rango de velocidades del viento. 
Las desventajas se centran en su mayor dificultad de diseño y sus mayores costos de inversión y mantenimiento, aunque menores que un sistema de paso variable (pitch).
En general, las principales diferencias entre el sistema de regulación de paso fijo (stall regulation) y el de paso variable (pitch regulation) se resumen en los puntos:
  • La regulación pasiva (ángulo de paso fijo) es sencilla y robusta, sin parles móviles, pero muy poco adaptable a variaciones de la ubicación del generador o a cambios en la dirección y velocidad del viento respecto a los valores de diseño.
  • Este inconveniente se resuelve mediante la regulación activa de paso variable (pitch), pero esta exige la variación continua del ángulo de acuerdo a las condiciones variables del viento. Si este presenta una gran variabilidad, su rapidez de cambio puede ser superior a la del giro de la propia pala sobre sí misma, con lo cual ésta se ve sometida a continuas oscilaciones que pueden traducirse en oscilaciones en la curva de potencia del generador en forma de picos.
  • En algunos modelos de eólicas se realiza un diseño mixto, que combina las ventajas de un rotor diseñado con palas aerodinámicamente optimizadas (principio de regulación pasiva) con algún tipo de regulación activa que actúe sobre toda la pala o bien sobre el extremo final de la misma.
  •  
  • La protección del rotor frente a una velocidad de rotación excesiva (embalamiento) se realiza mediante frenado aerodinámico, que puede ser:
  • En el caso de regulación activa (pitch), por el giro de las palas del rotor 90° alrededor de su eje longitudinal. La pala adopta la denominada posición bandera.
  • En el caso de regulación pasiva (stall) por pérdida aerodinámica. En este caso, algunos tipos de palas pueden girar la punta de las mismas (movimiento tip), actuando como aerofrenos.
  • Estos sistemas de frenado permiten detener el rotor en pocas vueltas del mismo, de forma suave evitando esfuerzos potencialmente perjudiciales para la eólica.
  • La máquina incorpora también un freno mecánico, que generalmente está instalado en el eje de salida de la caja multiplicadora (eje de accionamiento dl generador eléctrico). Este freno mecánico actúa como sistema de apoyo al freno aerodinámico, y también como freno de estacionamiento cuando el rotor está parado.
  • El rotor con regulación activa (pitch) solo utiliza este freno como seguridad durante los trabajos de mantenimiento ya que el rotor no puede moverse mientras las palas están en posición bandera, es decir giradas 90° respecto a su eje longitudinal.
  •  
  • La secuencia de arranque de un aerogenerador es la siguiente:
  • Cuando el conjunto anemómetro y veleta del aerogenerador detectan viento, y el sistema de control determina que este viento mantiene una cierta estabilidad en su velocidad y dirección (es decir no se trata de rachas cambiantes), el controlador envía las siguientes órdenes, a través de los correspondientes motores:
  • Entre 2 a 3 m/seg. Envía la orden de orientarse la turbina, es decir de posicionarse frente al viento.
  • A partir de 3 o 4 m/seg. Se orden desactivar los frenos y permitir el giro del rotor por efecto del viento. En un rotor con control activo (pitch), se envía la señal de consigna a las palas para que progresivamente cambien su ángulo de 90° (posición bandera) a un ángulo de ataque mucho menor.
  • A partir de velocidades del viento en el entorno de unos 4 m/seg, el rotor comienza a girar. Cuando la velocidad de giro del alternador llega a la de sincronismo, se realiza la conexión del generador a la red, de forma suave, mediante un interruptor de electrónica de potencia de tiristores o transistores IGBT. El proceso de conexión dura unos pocos segundos. Una vez concluido, el generador eléctrico envía la energía a la red. La regulación se realiza por pérdida aerodinámica en palas pasivas (stall), o por giro de las mismas, en un sistema activo (pitch).


Esquema de aerogenerador 


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