Proyecto de Aula “Universidad y Buen Vivir”

Tema: “TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA, EN LA CENTRAL VILLONACO DE LA CIUDAD DE LOJA”

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INTRODUCCIÓN

Como parte del trabajo que se viene llevando a cabo dentro de asignatura de Universidad y el Buen Vivir, hemos considerado conveniente realizar la presente investigación sobre el tema: “TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA EN LA CENTRAL EÓLICA VILLONACO, CIUDAD DE LOJA”, el cual se justifica plenamente por cuanto los resultados contribuirán a un mayor y mejor conocimiento sobre la producción de energía eléctrica a través del aprovechamiento de la energía renovable, como es el viento.

Los objetivos planteados en la presente investigación son:

OBJETIVO GENERAL:

Conocer la transformación de la energía eólica en energía eléctrica en la central eólica Villonaco en la ciudad de Loja.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Fundamentar teóricamente la transformación de la energía eólica en energía

eléctrica en la central eólica Villonaco en la ciudad de Loja.

Determinar el proceso de transformación de la energía eólica en energía eléctrica en

la central eólica Villonaco en la ciudad de Loja.

Orientar a compañeros y comunidad sobre la implementación de centrales de este

tipo de energía que favorecen la productividad, sostenibilidad, competividad del

país en materia energética.

Establecer mediante la observación y experimentación de campo, como esta

actividad contribuye de manera significativa al cambio de la matriz productiva, para

seguir fomentando el cumplimiento de los objetivos del buen vivir

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CAPÍTULO I

ENERGÍA

1. ENERGÍA

La energía se puede manifestar de diferentes formas, en la fuerza del viento y también

en la electricidad, esto permite su transformación entre estas formas, y su

almacenamiento para el consumo humano.

La energía de un cuerpo es su capacidad para efectuar un trabajo. Por consiguiente, la energía de un cuerpo se mide en función del trabajo que puede desarrollar. Así, cuando un objeto realiza un trabajo, la pérdida de energía del cuerpo es igual al trabajo efectuado. El trabajo y la energía tienen las mismas unidades, se miden en Joules. La energía, al igual que el trabajo es una cantidad escalar. Un objeto es capaz de realizar un trabajo si posee energía. (Frederick J. Bueche, 2001).

Según el concepto anterior, la energía se convierte en trabajo y el trabajo en energía, por

ejemplo, la energía cinética del viento se transforma en trabajo cuando este empuja las

aspas de un generador, moviéndolas circularmente para después transformar el trabajo

generado en electricidad, una forma de energía más aprovechable por el ser humano en

sus actividades diarias.

1.1. ENERGÍAS RENOVABLES

Según Luis Merino (2007): Las energías renovables son inagotables. Utilizar la radiación solar para producir calor o electricidad no disminuye en ningún caso la cantidad de energía que el Sol envía a la Tierra. Otro tanto sucede con el viento. Por más aerogeneradores que extrajeran su fuerza y la convirtieran en electricidad nunca trastocarían el equilibrio térmico del planeta. (…) Lejos de ser inagotables, los combustibles fósiles se están acabando. Hasta el punto de que su control estratégico provoca conflictos políticos y sociales en el mundo, como se ha plasmado en la guerra de Irak, la primera guerra del Golfo o las revueltas acaecidas en Venezuela o Bolivia.

En el informe anual sobre la energía en el mundo realizado por la “BP Statistical Review of World Energy”, de junio de 2006, establece la duración en 40 años las reservas mundiales de petróleo y en 65 años las de gas natural, suponiendo que la producción y el consumo de estos combustibles fósiles se mantuviera estable hasta su total agotamiento, lo que no ha sucedido ya

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que los niveles de explotación de los yacimientos de petróleo y gas natural están en su mayoría, siendo explotados a un ritmo cada vez mayor. Su inevitable agotamiento, provocará grandes tensiones en los mercados que pueden traspasar los ámbitos económicos como por ejemplo ya ha sucedido con Estados Unidos. En cuanto a las reservas de carbón, se estiman mucho mayores, para varios cientos de años.

De entre las distintas fuentes de energía, las fuentes de energía renovables son aquellas que se producen de forma continua y son inagotables a escala humana, aunque habría que decir que, para fuentes como la biomasa, esto es así siempre que se respeten los ciclos naturales, sin explotar los bosques de manera empírica, con falta de técnicas de conservación del suelo y reforestación, pues esto está causando ya graves problemas en países en vías de desarrollo donde le explotación forestal crece de manera descontrolada.

1.1.1. ORÍGEN DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES

Como en todo sistema, la energía del planeta tierra tiene que venir de algún lugar, es este caso el origen de todas las fuentes de energía renovable es el sol, porque su calor provoca en la Tierra las diferencias de presión que dan origen a los vientos, fuente de la energía eólica. También del sol procede la energía hidráulica, pues este ordena el ciclo del agua, causando la evaporación que predispone la formación de nubes y, por tanto, las lluvias. Las plantas se sirven del sol para realizar la fotosíntesis, vivir y crecer. Toda esa materia vegetal es la biomasa. Por último, el sol se aprovecha directamente en las energías solares, tanto la térmica como la fotovoltaica.

1.2. CLASIFICACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES

1.2.1. ENERGÍA GEOTÉRMICA

“El aprovechamiento del calor terrestre para producir energía útil es conocido desde ya hace milenios por la humanidad, por ejemplo la ciudad romana Pompeya, que fue engullida por el volcán Vesubio, el mismo que utilizaban para calentar sus termas” (SOLVENTA S.L.)

Hoy en día en Islandia, la calefacción de muchos hogares se nutre el calor de la tierra. Sin embargo, sus aplicaciones modernas para producir electricidad son más recientes, y fueron utilizadas para este fin por primera vez en Larderello, Italia, en 1904.

Desde ese momento, el uso de la energía geotérmica para generar electricidad ha crecido cerca de 8.000 megavatios (MW) mundialmente, de los cuales Estados Unidos es el responsable del 33,4% aproximadamente 2.700 MW.

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1.3.2. ENERGÍA HIDRÁULICA

Mediante la producción de electricidad el aprovechamiento de energía hidráulica abastece a más de 1.100.000 familias. Las hidroeléctricas sustituyen aproximadamente 250.000 Toneladas equivalentes de Petróleo. El agua que fluye por los ríos al descender de un nivel superior a un nivel inferior genera una energía cinética que el hombre lleva siglos aprovechando. Hace más de cien años esta energía se usaba fundamentalmente para moler el trigo, y recién se empezaba a emplearse en la generación de electricidad. De hecho, fue hasta la mitad del siglo XX la principal fuente de que se sirvió el hombre para producir electricidad a gran escala. Las centrales hidroeléctricas funcionan convirtiendo la energía cinética y potencial de una masa de agua al pasar por un salto en electricidad. El agua mueve una turbina cuyo movimiento de rotación es transferido mediante un eje a un generador. Se consideran centrales mini hidráulicas aquellas con una potencia instalada de 10 MW o menos, una frontera que hasta hace poco se situaba en los 5 MW.

1.3.3. ENERGÍA MAREOMOTRIZ

La inmensa mayoría de los ingenios orientados a explotar la energía de las olas y las mareas –energía mareomotriz– son prototipos en fase pre-comercial y algunos están operativos desde los años 60.

Dependiendo del tipo de aprovechamiento energético, hay columnas de agua oscilantes, canales estrechados, centrales mareomotrices.

1.3.4. ENERGÍA SOLAR

La energía solar que atraviesa la capa de ozono directamente y se manifiesta como luz y calor, también puede ser aprovechada directamente para producir calor o electricidad, actualmente existen 3 métodos para aprovecharla:

Energía solar térmica

Energía solar termoeléctrica

Energía solar fotovoltaica

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CAPÍTULO II

ENERGÍA EÓLICA

2. ENERGÍA EÓLICA

2.1. INTRODUCCIÓN

La energía eólica actualmente evita la emisión de 6.120.000 toneladas de CO2 al año. Sustituye 760.000 Toneladas Equivalentes de Petróleo (TEP). Genera electricidad para 1.700.000 familias. El aprovechamiento del viento para generar energía es casi tan antiguo como la civilización.

Se debe tomar conciencia de la necesidad de modificar el modelo energético basado en los combustibles fósiles y la energía nuclear, por los problemas que estos causan al medio ambiente.

2.2. DEFINICIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA

Según Sabino Mastrángelo (2000): Una manifestación de las permanentes diferencias de presiones atmosféricas, que existen en nuestro planeta, movimiento del aire que no puede permanecer en reposo y se desplaza prácticamente sin cesar. Las corrientes constituyen los vientos. Los vientos se definen por su dirección, sentido e intensidad (velocidad) por lo es el que se lo considera físicamente como un vector, que puede expresarse con esas tres componentes, por lo que el vector es tridimensional aunque a veces puede existir una componente vertical (Iannini, Gonzalez, Mastrángelo; 2000).

La energía eólica es generada debido al movimiento de las masas de aire entre dos zonas con una diferencia de presión, esto se conoce como el viento.

El viento es generado a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por la radiación solar, entre el 1 y 2 % de la energía que emite el sol se convierte en viento. Durante el día, el aire que se encuentra sobre las masas de agua como océanos, lagos y ríos, se mantiene más frío que aquel sobre las otras superficies porque el agua absorbe mayor cantidad de radiación solar.

Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se calienta debido a su reflejo y se expande, por lo tanto es más liviano y se eleva. El aire más frío pesado que proviene de los mares, océanos y lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.

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2.3. HISTORIA DEL USO DE LA ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica ha sido usada a lo largo de la historia, comenzando como un medio de

locomoción, por ejemplo, en la cultura egipcia se utilizaban naves con velas para

trasladarse en el Nilo.

La navegación dependió casi exclusivamente de la energía eólica hasta el siglo XIX con

la introducción de las máquinas de vapor y la posterior invención de los motores de

combustión interna. Sin embargo, se ha seguido diseñando y utilizando esta energía

como método de ahorro de combustible, actualmente el ahorro es cercano al 10%.

Las primeras máquinas eólicas de las que se tiene documentación datan del siglo VI d.C. y se las utilizaba para moler granos y bombear agua. Con posterioridad, y especialmente en las islas griegas del Mediterráneo, se desarrollaron molinos de viento de eje horizontal, cuya principal característica fue la utilización de velas triangulares a modo de palas. Aún hoy son utilizados en la isla griega de Mikonos para moler granos. Es de destacar que este tipo de diseño permite ajustar la superficie de captación, según la velocidad del viento.

En el siglo XI d.C. los molinos de viento eran extensamente utilizados en el Medio Oriente. Luego en el siglo XIII y como consecuencia de las Cruzadas fueron introducidos en Europa. Durante la Edad Media se construyeron muchos molinos llegando al extremo de que los señores feudales se reservaban el derecho de autorizar su construcción, como modo de obligar a sus súbditos a moler los granos en los molinos de su propiedad. Plantar árboles cerca de ellos estaba prohibido pues debía asegurarse la libre incidencia del viento.

En el siglo XIV los holandeses tomaron el liderazgo en el mejoramiento de los molinos y comenzaron a utilizarlos extensivamente para drenar las regiones pantanosas del delta del río Rin. A fines del siglo XV se construyeron los primeros molinos de viento para la elaboración de aceites, papel y procesar la madera en aserraderos. A comienzos del siglo XVI se empezaron a utilizar para el drenaje de "Polders", empleándose máquinas de hasta 37 kW (50 HP) cada una. A mediados del siglo XIX cerca de 9000 molinos operaban en Holanda con diferentes propósitos, algunos de hasta 65 kW (90 HP). Con la introducción de las máquinas de vapor durante la Revolución Industrial comenzaron a declinar y menos de 1000 máquinas estaban en condiciones de operación a mediados del siglo XX.

En Dinamarca, al finalizar el siglo XIX, cerca de 3000 molinos eran utilizados con fines industriales y cerca de 30.000 en casa y granjas, proveyendo una potencia equivalente a 200 MW. Como en otras regiones del mundo la aparición de alternativas más baratas de abastecimiento energético hizo que paulatinamente fueran reemplazándose por máquinas térmicas o motores eléctricos alimentados desde las redes.

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Procesos similares tuvieron lugar en otras regiones del mundo, haciendo que el uso del recurso eólico quedase relegado a satisfacer necesidades puntuales en medios rurales o comunidades aisladas, sin ninguna participación en el mercado energético.

La toma de conciencia sobre la no infinidad de los recursos energéticos no renovables (o renovables no debidamente utilizados), la creciente preocupación por el impacto sobre el medio ambiente de los combustibles fósiles y la energía nuclear, y las bruscas alzas de los precios del petróleo ocurridos en la década del 70, intensificaron la búsqueda de alternativas de abastecimiento energético, renaciendo el interés por el recurso eólico.

Los países industrializados focalizaron sus desarrollos en el abastecimiento de energía eléctrica. Los logros alcanzados en el plano de la investigación y desarrollo y, más aún, en las tecnologías de producción de turbinas eólicas, han hecho que, en el presente, el recurso eólico haya dejado de ser una potencial alternativa de abastecimiento para convertirse en una realidad. Las turbinas eólicas son hoy una opción más en el mercado de la generación eléctrica.

Distinto es el caso de los países no industrializados, donde la falta de sistemas de distribución y la carencia de recursos para afrontar las enormes inversiones necesarias, modifican el enfoque. En muchos de estos países el interés se focaliza en la urgente necesidad de cubrir demandas insatisfechas y potenciar el desarrollo regional. Esto a motorizado el desarrollo de máquinas eólicas de menor porte que han demostraron ser competitivas.

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CAPÍTULO III

TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA

EN ELECTRICIDAD

3. TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA EN ELECTRICIDAD

La transformación de energía eólica en electricidad es un uso relativamente reciente de

la energía eólica, y se basa en la transformación de la energía cinética del viento en

energía cinética dentro de las palas del aerogenerador, y transformación de esta a

electricidad mediante inducción magnética dentro del mismo aerogenerador.

3.1. MÁXIMA ENERGÍA OBTENIBLE DEL VIENTO

No se puede extraer totalmente toda la energía del viento, pues ésta no solo es cinética, sino también potencial, calórica y química, al igual que toda su energía cinética tampoco es obtenible. Por lo tanto, la energía cinética máxima teórica que puede ser extraída de una masa de aire en movimiento, está dada por la expresión básica de la energía cinética, suponiendo que la velocidad de los vientos que atraviesen el aerogenerador se redujera totalmente, es decir, que los vientos queden estáticos:

Ec=12mv2

Ec = energía cinética [J/s]

m = flujo de aire [Kg/s]

v = velocidad del viento [m/s]

Si suponemos un área de captación A perpendicular a la dirección del viento, que es básicamente la superficie de las palas en un aerogenerador cuando son perpendiculares a la dirección del viento, el flujo de aire circulante que la atraviesa será:

m=dAv

m = flujo de aire sobre un área [Kg/s]

d = densidad del aire [Kg/m3]

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A = área de captación [m2]

v = velocidad del viento [m/s]

La energía teórica máxima por unidad de tiempo y de área (A=1m2) que podríamos extraer de una masa de aire en movimiento, sería entonces dependiente de su densidad, pues esta indica la cantidad de moléculas en un volumen determinado, y mientras más moléculas tengan igual cantidad de energía cinética, más de esta energía es captada por las palas del aerogenerador al ser empujadas por el viento, entonces la relación entre estas variables está representada por:

Pm=12d v3

Pm = Potencia meteorológica [W/m2]

d = densidad del aire [Kg/m3]

v = velocidad del viento [m/s]

A esta energía se la denomina potencia meteorológica y se la expresa en W/m2, como la velocidad del viento luego de atravesar la superficie de captación, no es nula (V f ≠0), la potencia dada por la expresión anterior no es totalmente aprovechable puesto que no toda la energía cinética que poseía el viento fue transformada a trabajo en la superficie de captación, así que solo una parte de esta energía pasa a trabajo y luego a electricidad. Betz demostró que la máxima energía transformable, con un aerogenerador ideal, es igual a 16/27 (<60%) de la energía total. Y como ningún rotor es ideal, para especificarlo es necesario conocer su eficiencia o rendimiento h.

La potencia obtenible por unidad de área de rotor, medida en W/m2, puede expresarse entonces como:

Pa=12hd V 3

Pa = Potencia obtenible [W/m2]

h = eficiencia o rendimiento [sin unidad de medida]

d = densidad del aire [Kg/m3]

v = velocidad del viento [m/s]

La potencia total para el área descrita por las palas al girar depende de su área, la cual se calcula como si fuera una superficie circular, porque las palas giran 360° sobre su eje:

A=π R2 A= π D2

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A= área de las palas

R = Radio de las palas

D = Diámetro de las palas

En W/m2, la potencia del aerogenerador queda como:

Pt=18hd (π D2)v3

Pt = Potencia Total [W/m2]

h = eficiencia o rendimiento [sin unidad de medida]

d = densidad del aire [Kg/m3]

D = Diámetro de las palas

v = velocidad del viento [m/s]

La densidad media del aire es 1,25 kg/m2

Por lo tanto, podemos expresar la potencia obtenible de una máquina eólica, tomando el diámetro en metros y la velocidad en metros por segundo, como:

P< 12h v3

P = Potencia obtenible [W/m2]

h = eficiencia o rendimiento [sin unidad de medida]

v = velocidad del viento [m/s]

El rendimiento h depende del tipo de máquina y de las condiciones de operación.

Conociendo las características de una turbina eólica y la velocidad del viento en un instante dado, es sencillo determinar la potencia útil. El problema radica en que la velocidad del viento es variable y, por lo tanto, es necesario conocer su evolución temporal para estimar la energía útil que una turbina eólica es capaz de obtener en un período determinado. Pero, las mediciones que se realizan con fines climatológicos no tienen el grado de detalle que requieren ciertos

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proyectos eólicos. Cuando se trate de instalaciones de gran potencia será inevitable la realización de mediciones especiales, como frecuencia y velocidad máxima de ráfagas, que contribuyan a la selección de las máquinas y a un cálculo más preciso de la rentabilidad del proyecto.

3.2. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LAS MÁQUINAS EÓLICAS

Los aerogeneradores son dispositivos que convierten la energía cinética del viento en energía mecánica. Aunque existen dos tipos básicos de molinos el principio de operación es esencialmente el mismo. La captación de la energía eólica se realiza mediante la acción del viento sobre las palas, las cuales están unidas al eje a través de un elemento denominado. El principio aerodinámico, por el cual este conjunto gira, es similar al que hace que los aviones vuelen. Según este principio, el aire que es obligado a fluir por las caras superior e inferior de una placa o perfil inclinado genera una diferencia de presiones entre ambas caras, dando origen a una fuerza resultante (R) que actúa sobre el perfil. Descomponiendo esta fuerza en dos direcciones se obtiene:

a) La fuerza de sustentación (S), o simplemente sustentación, de dirección perpendicular al viento.

b) La fuerza de arrastre (A), de dirección paralela al viento.

Para favorecer la circulación del aire sobre la superficie de las palas, evitar la formación de torbellinos y maximizar la diferencia de presiones, se eligen perfiles de pala con formas convenientes desde el punto de vista aerodinámico. Con excepción de las panémonas y los rotores tipo Savonius, en todas las máquinas modernas la fuerza dominante es la de sustentación pues permite obtener, con menor peso y costo, mayores potencias por unidad de área del rotor.

Como la fuerza de sustentación es la única que dará origen al par o cupla motora habrá que diseñar el perfil y ubicar las palas dándole un ángulo de ataque (a) que haga máxima la relación fuerza de sustentación/fuerza de arrastre.

Este análisis simple es solo válido cuando las palas de un molino están en reposo. Al permitir el giro del rotor, la fuerza resultante sobre las palas será el resultado de la combinación de la acción directa el viento real (U) y la acción del viento (V) creado por las propias palas al girar. Es decir, al girar las palas o aspas también generan corrientes de viento, esta corriente es la resultante de la composición de los vectoresV⃗ y U⃗ .

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Como cada sección de una pala tiene velocidad diferente el viento aparente también varía en el sentido longitudinal; por lo tanto, una pala ideal deberá presentar un ángulo de incidencia diferente a lo largo de toda su longitud, efecto que se logra dándole una curva que permita aprovechar el viento en mayor proporción.

Estas consideraciones son particularmente importantes en máquinas de gran tamaño. En molinos pequeños, por razones de simplicidad y costos, se acostumbra optar por palas de sección constante y recta.

Si el viento no supera la denominada velocidad de puesta en marcha (valor mínimo necesario para vencer los rozamientos y comenzar a producir trabajo útil) no es posible el arranque de un molino. Con velocidades mayores comenzará a girar entregando una potencia que responde a la conocida ley del cubo de la velocidad. Esto será así hasta que se alcance la potencia nominal, generalmente la máxima que puede entregar, punto en que comienzan a actuar mecanismos activos o pasivo de regulación para evitar que la máquina trabaje bajo condiciones para las cuales no fue diseñada. Continuará operando a velocidades mayores, aunque la potencia entregada no será muy diferente a la nominal, hasta que se alcance la velocidad de corte donde, por razones de seguridad, se detiene.

3.3. TIPOS DE MÁQUINAS EÓLICAS

Desde los comienzos de la utilización de la energía eólica se han desarrollado gran cantidad de máquinas de los tipos más variados. De todos ellos, son relativamente pocos los que se generalizaron y alcanzaron escala de producción comercial.

Se acostumbra clasificar las máquinas eólicas según la posición del eje de rotación con respecto a la dirección del viento, pudiéndolos dividir en dos categorías principales:

3.3.1. MOLINOS DE EJE HORIZONTAL

Los molinos de eje horizontal son los más difundidos y los que han permitido obtener una mayor eficiencia de conversión. En su gran mayoría, la conversión de la energía disponible en el eje del rotor en otra forma de energía, se realiza mediante dispositivos ubicados sobre la torre. Tal es el caso de las turbinas eólicas destinadas a la producción de electricidad donde el generador eléctrico, acoplado al eje del rotor a través de un multiplicador, está localizado en la navecilla.

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Las denominas máquinas rápidas, con palas de perfil aerodinámico y casi exclusivamente empleadas para generación de electricidad, tienen rotores con 1, 2 o 3 palas que, según los diseños, están ubicados a popa (sotavento) o a proa (barlovento) de la navecilla. Existen diferentes modos de prevenir aumentos descontrolados de la velocidad de rotación del rotor en presencia de vientos fuertes, o de regularla ante condiciones variables de la carga. Ellos van desde el cambio de paso, o "calaje" de las palas, la utilización de "flaps" que se abren y aumentan la resistencia al viento, hasta dispositivos que desplazan el rotor de su orientación ideal logrando que aumenten las pérdidas aerodinámicas.

Prácticamente todas las máquinas disponen de dispositivos de frenado para poder detenerlas bajo condiciones extremas de viento o efectuar reparaciones. En las máquinas relativamente pequeñas a veces se evitan estos mecanismos pues resulta más barato diseñarlas para soportar los máximos vientos esperables que adicionar sistemas de frenado.

Los rotores multipala, tipo americano, tienen por uso casi excluyente el bombeo de agua. Su alto par de arranque y su relativo bajo costo los hace muy aptos para accionar bombas de pistón. Se estima que en el mundo existen más de 1.000.000 de molinos de este tipo en operación.

3.3.2. MOLINOS DE EJE VERTICAL

La característica principal de los molinos de eje vertical es que no requieren de sistemas de orientación. Ventaja muy apreciada pues evita complejos mecanismos de direccionamiento y elimina los esfuerzos a que se ven sometidas las palas ante los cambios de orientación del rotor. Por su disposición permiten colocar los sistemas de conversión prácticamente a nivel de suelo, evitando pesadas cargas en las torres, como ocurre en los de eje horizontal.

Existen dos diseños básicos de rotores de eje vertical: Savonius y Darrieus.

El rotor Savonius trabaja esencialmente por arrastre, tiene un alto par de arranque pero su eficiencia es pobre. Por su sencillez y bajo costo es fácil de construir con técnicas artesanales. Se los emplea en aplicaciones que requieren potencias pequeñas como es el caso de los extractores de aire en grandes edificios industriales o depósitos y en bombeo de agua.

Los rotores Darrieus, inventados por G.J.M. Darrieus en Francia en la década del 20, son actualmente los principales competidores de los de eje horizontal de palas aerodinámicas para la generación de electricidad. Las fuerzas dominantes son las de sustentación, tienen un par de arranque prácticamente nulo, pero entregan potencias altas por unidad de peso del rotor y por unidad de costo. El diseño original de palas curvadas ha dado origen a otras configuraciones. Tal es el caso de la combinación con rotores Savonius para aumentar el par de arranque.

Se han concebido y ensayado otros tipos de máquinas eólicas de eje vertical. Tal es el caso de las torres vorticosas en las que se induce una circulación de aire, por el interior de una torre hueca, que succiona aire exterior haciéndolo pasar a través de una turbina ubicada en la base.

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3.4. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Para obtener electricidad a partir del viento es necesario accionar máquinas que, por arrancar prácticamente en vacío no exigen al rotor eólico un gran par de arranque.

Los generadores eléctricos pueden ser de corriente continua (dínamos) o de corriente alterna, existiendo en este último caso dos tipos: generadores sincrónicos o alternadores y generadores asincrónicos o de inducción. Los dínamos tienen el inconveniente de utilizar escobillas, que exigen mantenimiento periódico, y son más pesados y caros que los generadores de corriente alterna (C.A.) de igual potencia; aunque tienen la ventaja de no necesitar de sistemas especiales para cargar baterías, su uso se ha ido abandonando reemplazándolos por los generadores de C.A., con la excepción de algunos equipos para proveer muy bajas potencias, de construcción artesanal.

El tipo de generador de C.A. que se utilice depende fundamentalmente de las características del servicio a prestar. Como regla general puede decirse que los alternadores son mayoritariamente usados en máquinas que alimentan instalaciones autónomas (Ver anexo 5) y los generadores de inducción en turbinas eólicas interconectados con otros sistemas de generación.

Esto es así pues los generadores de inducción tienen la enorme ventaja de que, una vez en marcha y conectados a las líneas de distribución, giran a una velocidad constante impuesta por la frecuencia de la red, entregando más o menos energía según la intensidad del viento, pero siempre rotando al mismo número de revoluciones. En otras palabras, los aerogeneradores no requieren de sistemas de regulación de velocidad, ventaja a la que se adiciona la apreciable diferencia de costos entre un generador asincrónico y un alternador de la misma potencia. Es importante destacar que los generadores asincrónicos o de inducción (generadores de bobina que genera corriente alterna mediante inducción electromagnética) necesitan tomar energía de la red para mantener la corriente de magnetización; de interrumpirse esta conexión la máquina debe ser frenada para evitar su aceleración.

Los generadores sincrónicos (generador que necesita de un centro magnético giratorio a velocidad constante para funcionar), aunque tienen un mayor rendimiento potencial, deben operar a velocidad constante si se quiere mantener fija la frecuencia. El mantenimiento del número de revoluciones, acorde con la frecuencia de línea, es función exclusiva del motor que los impulsa, siendo necesario elaborados sistemas de control. Distinto es el caso de las aplicaciones en que la única fuente de abastecimiento es el aerogenerador. En ellos el uso de generadores sincrónicos es casi obligado, pero no tan crítico el mantenimiento de la frecuencia de la C.A. generada pues, por lo general, los equipos a alimentar toleran variaciones en la frecuencia.

El acoplamiento entre rotor eólico y generador se realiza a través de una caja multiplicadora. Su empleo es necesario pues a medida que crece el diámetro deben limitarse las r.p.m. del rotor

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para evitar que las puntas de las palas trabajen a velocidades que comprometan la resistencia de los materiales empleados o induzcan vibraciones. Por otra parte, los generadores comerciales requieren girar a velocidades que están entre las 1000 y 3000 R.P.M., dependiendo de sus características constructivas y la frecuencia a obtener.

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