POSIBILIDADESDE LA ENERGIA EOLICA

Después de un prolongado declive, causado porla electrificación rural y el uso de motores de ga-solina y gasoil, la utilización del viento está des-pertando considerable interés como fuente alterna-tiva de energía.

Howard Knob en Carolina del Norte. Con su torrede 42 m de altura, su hélice de dos aspas de60 m de diámetro y con un peso total de 350 tone-ladas, puede suministrar 2.000 kilowatios con unviento de 45 km/h. En España existe otro proyec-to, más modesto, para construir en Tarifa una ins-talación piloto de 110 kilowatios bajo un viento de12 m/s (43,2 km/h) con un rotor bipala de eje hori-zontal de 17 m de diámetro colocado sobre unatorre de 20 m de altura.

Otra muestra de la tendencia actual lo constitu-ye el hecho de que de las 284 referencias de la biblio-grafía americana 1973-1978, recopilada por la Ten-nessee Valley Authority en 1979, solamente 22 re-ferencias (el 7,8 por 100) se refieren a instalacionespequeñas para la agricultura y hogares aislados.

Pese a esto, las posibilidades de las pequeñasinstalaciones para la agricultura y los hogares aisla-dos son suficientemente interesantes para que mu-chos fabricantes hayan emprendido una renova-ción de los anticuados modelos de molinos deviento para el bombeo de agua y junto con losconstructores de aerogeneradores de electricidadde pequeña capacidad, cuyo desarrollo técnico hasido continuo, comiencen a concurrir a las grandesexposiciones agrícolas como la SIMA de París.

En países o regiones donde la red de electrifi-cación rural no es aún muy densa, la energía eóli-ca suministrada por instalaciones individuales pue-de presentar unas posibilidades atrayentes en laactual crisis energética.

Cálculo del potencial de energía eólica

Aerogenerador r(Mod. 1» con una potencia de 2.000 kilowatios,instalado en 1979.

La potencia teórica en watios que existe en lacorriente de aire que atraviesa un molino de vientoviene dada por la fórmula:

P=0,04143 r2en que r es el radio del rotor en metros y V la velo-cidad del viento en kilómetros/hora.

La potencia máxima real en el eje del rotor esW= K.Pt en que K es un coeficiente que teórica-mente no puede ser superior a 0,59 y que depende

Ciertamente, la mayoría de las investigaciones,realizaciones y proyectos se centran en la cons-trucción de grandes centrales eólicas para conectara la red normal de distribución de electricidad.

Un ejemplo de ello ha sido la inauguración, enoctubre de 1979, de la estación eólica «Mod 1» de

e. FuerzaVelocidadfija

FuerzaVelocidad

casi fija

Línea

Generador Isíncrono

Viento

Línea

Viento —_,. Generadorde inducción

Tramo de velocidaddel viento

Velocidad de girodel rotor

Potencia útilmáxima

Hasta la veloci-dad de arranque

Nula Nula

Desde la veloci-dad de arranquehasta la de régi-men

Va aumentandohasta la veloci-dad de régimen

Va aumentandohasta la potencianominal

Desde la veloci-dad de régimen ala velocidad dedesconexión

Constante en ve-locidad de ré-gimen

Constante, en po-tencia nominal

Desde la velocidadde desconexiónhasta la velocidad:2,1e destrucción

Nula Nula

Efecto de la velocidad del viento

c4R

del tipo de rotor; su valor es de 0,45 para rotoresde hélices de alta velocidad y de 0,30 para rotoresmúltiples de baja velocidad (molino de viento parabombeo, tipo americano).

La potencia útil, bien sea en la bomba elevado-ra, bien sea en la salida del generador eléctricoes sólo del 50 al 80 por 100 (65 por 100 comomedia) de la potencia máxima real por lo que lapotencia útil en watios, a la velocidad de régimendel motor, puede deducirse en una primera aproxi-mación y para aerogeneradores de electricidad co-merciales de tamaño normal, de la fórmula:

W = 0,013 r2 V3

Esta fórmula ha sido deducida empíricamentedel rendimiento real de 23 modelos comerciales deaerogeneradores con potencias que van desde 25a 5.000 watios. Para el «Mod 1» de Howard Knob,la fórmula es:

W = 0,02438 r2 V3

La fórmula anterior sólo es útil a efectos de teneruna primera idea de la potencia máxima alcanzablecon un aerogenerador de diámetro determinado avelocidades medias del viento. No es legítimo, sinembargo, utilizarla para calcular la potencia real útilde determinado aerogenerador a distintas velocida-des de viento. Para esto deben consultarse las es-pecificaciones dadas por los fabricantes. Ello es de-bido a las siguientes razones:

— Cada modelo de aerogenerador tiene sus cur-vas características propias en función de la velo-cidad del viento.

Esquemas de apro-

VientoGenerador

de corrientecontinua

I, Corriente vechamiento deconfin, energía eólica sin

n«.• conexión a red eléc-Batería trica normal (NSF -

Velocidadvariable RA - N - 75- 050).

Resistencia oalmacenamiento

de calor

Corriente Corrientealterna continua

onvertido Corriente alterna

frecuencia constante

Velocidadvariable

Esquemas de aprovechamiento de energía eólica con línea eléc-trica suplementaria (NSF - RA - N - 75 - 050).

— Cuando lo que se mide y utiliza para el cálcu-lo es la velocidad media del viento, la potenciamedia útil disminuye en un 35 por 100.

— Cada modelo de aerogenerador reacciona dedistinta manera, debido a su característica aerodi-námica y a la existencia de mecanismos de regu-lación y desconexión, a las distintas velocidadesdel viento (cuadro 1).

Cuadro 1.—COMPORTAMIENTO TIPICO DE UN AE-ROGENERADOR SINCRONO AL AUMENTAR LA VE-

LOCIDAD DEL VIENTO

Veloc dadvariable

I Calor

Calor

Excitación Línea

o control

Generador de velocidadvariable y frecuencia

constanteViento --1

Velocidadvariable

e, Fuerza

Generado ' de !ContinuaViento corriente cononua n alt prna o altern

FeAlternadorViento Rectifi-cador

300 200 100

ALTA340

o

• L

100• L

S-5 SS• • P

•L H •200

•sz L T

O

100S . S

150•TBAJA .< 100 W/m2

130

.J 100200

ALTA

100 20 0

400 riL

ISLAS CANARIAS

100

100

Localidad Velocid.m/s

EnergíaKwh/m2y año

Mese.obser-vación

Zona

Estaca de Vares Malpica Cabo Creus Port Bou Puerto Lápice Consuegra Tarifa

N.W.N.W.N.E.N.E.

ManchaManchaEstrecho

7,36,87,3

5,55,28,3

7283

6.168

6.596

8442676572,)

Con objeto de que el rotor u otras partes noresulten dañadas a causa de una excesiva veloci-dad, existen dispositivos que desconectan el rotordel generador o que colocan el rotor o las palascon tal orientación que ya no son movidos porel viento cuando éste alcanza una determinada ve-locidad llamada «de desconexión».

La velocidad de destrucción es la máxima ve-locidad del viento que las palas o la torre puedensoportar sin sufrir graves daños.

Las velocidades críticas varían según los distin-tos modelos. Para aerogeneradores hasta 5.000watios la velocidad de arranque es de 2-4 m/s;la de régimen, de 4 a 9,5 m/s; la de desconexión,de 12 a 18 m/s y la de destrucción, de 45 a65 m/s.

Potencial de energía eólica en España

El mapa 1 ilustra las velocidades medias delviento que pueden esperarse en distintas regionesespañolas. A tenor de lo indicado anteriormentesobre velocidades de arranque puede suponerseque, en principio, todas las regiones con velocida-des medias superiores a los 4 m/s (14,4 km/h)son apropiadas para el aprovechamiento de energíaeólica. Sin embargo, debe tenerse en cuenta queen las regiones donde el viento es racheado, confrecuentes cambios de velocidad, hay que tomarprecauciones especiales respecto a la robustez delas torres y el rotor para evitar daños y esto puedehacer poco rentable el aprovechamiento. El Nordes-te y Noroeste, así como el valle del Ebro tienenfrecuentemente vientos racheados y, a veces, ex-tremadamente fuertes.

Mapa n.° I. — Isolíneas de velocidades medias anuales delviento en metros/segundo. (Fuente: J. A. Barasoain and L.

Fontán, U. N. Con ference, August 1961).

Mapa n.° 2. —Isolíneas de potencia eólica media anual (teó-rica) en watios/m2 de superficie barrida por el rotor. (Del

Centro de Estudios de la Energía, ligeramente modificado.)

Las regiones más apropiadas para las instalacio-nes grandes de aprovechamiento de energía eólicason la zona del estrecho de Gibraltar y Canarias.Para potencias bajas para aprovechamientos indivi-duales son especialmente apropiadas las dos mese-tas, sobre todo la Meseta Sur.

El mapa 2 indica las isolíneas de potencia eólicateórica en watios/m2 (m2 en superficie barrida porel rotor). Para instalaciones pequeñas, la potenciaútil es sólo un tercio de la teórica indicada en elmapa. El cuadro 2 muestra mediciones reales enpuntos escogidos.

Cuadro 2.—VELOCIDAD MEDIA DEL VIENTO ENLUGARES ESCOGIDOS DE LA PENINSULA

(Fuente: Barasoain y Fontán, 1961).

Puede observarse que en la estación eólica pro-yectada en Tarifa, con un rotor de 17 m de diá-metro se obtendría una energía teórica de 6.596 x3,1416 x 8,52 kwh/año= 1.497.164 kwh; como laenergía prevista es de 700.000 kwh, el coeficientede rendimiento previsto es de 0,47.

.0

99

A

12

14

Molino de viento((Lubig» autoorien-rabie para la ex-tracción de aguapara el ganado. 1)Eje del rotor; 2)Sujeta vientos; 3)Torre; 4) Tubería

2 para el llenado delabrevadero; 5) De-pósito o abreva-dero; 6) Tubo derebosamiento; 7)Tubo de recircula-ción; 8) Bomba depistón; 9) Pie dela torre; 10) Aspi-ración; 11) Pozo;12) Filtro; 13) Ten-sores; 14) Vien-tos. La altura (A)es de 3,70 m. en

el modelo aquí re-presentado; el diá-metro de la torre

(8) es de 6 cm.

5

Generación de electricidad

Los frecuentes cambios de velocidad y direccióndel viento, la aparición de vientos racheados, tor-mentas, etc., constituyen obstáculos al aprovecha-miento de la energía eólica.

En lo que respec*a a los molinos de viento pa-ra el bombeo de agua, los inconvenientes que sepresentan se han resuelto ya con relativa facilidad,pues la mecánica de la orientación del rotor, de ladesconexión con vientos fuertes y del bombeo esmuy sencilla. Las variaciones de velocidad del vien-to y la consiguiente variación de la velocidad degiro del rotor se traducen en variaciones de lafrecuencia de bombeo lo que no origina perturba-ciones con las bombas utilizadas que están amplia-mente probadas para este tipo de aplicaciones.Tampoco ofrece problema alguno la acumulacióndel agua bombeada.

La situación es muy distinta en el caso deproducción de energía eléctrica. En primer lugar,existen distintos tipos de generadores utilizables(corriente continua y alterna, generadores síncro-nos y asíncronos) que producen corriente eléctricade distintas características. Además, el funciona-miento óptimo de estos generadores se efectúa ala velocidad de régimen lo que obliga al uso dereguladores de la velocidad de giro del rotor me-diante reguladores centrífugos, hélices de paso va-riable o ángulo de ataque variable, etc. Por otraparte, la irregularidad del viento obliga al uso debaterías de acumuladores que sólo pueden car-garse con corriente continua, mientras que los apa-ratos eléctricos normales son de corriente alterna;esto hace necesaria la utilización de rectificadoresy convertidores de corriente.

Finalmente, los aerogeneradores se proyectanpara un mantenimiento nulo durante largo tiempoy para resistir las inclemencias atmosféricas loque implica modificaciones en los generadores co-merciales, empleo de materiales especiales, etc.,que elevan mucho su precio.

Modelos comerciales

Los modelos comerciales de pequeña potencia(hasta 5 kw) de los que disponemos en este mo-mento de catálogos y referencias suficientementedetalladas, son de dos tipos muy distintos.

El primer tipo, que es el más frecuente, constade un alternador de imanes permanentes que pro-duce corriente trifásica de 12 a 120 V que, a travésde un rectificador, se convierte en corriente con-tinua con la que se carga una batería de acumula-

dores de plomo de la que, a través de un conver-tidor, se obtiene corriente alterna monofásica a220 V. En vez del alternador se usa, a veces, unadínamo que produce corriente continua de 12 a27 V y con la que se carga la batería.

El segundo tipo consta de un generador de in-ducción que produce una corriente alterna de115 V y 60 ciclos, síncrona con la red normal ala que puede conectarse directamente para ahorrarparte de la energía que se recibe de dicha red. Noposee acumuladores.

Las características de los distintos modelos sontan diversas, según la casa que los fabrique, enpotencia y características de la corriente que, encada caso, hay que definir muy bien el objetivode la instalación del aerogenerador para que lostécnicos elijan el modelo más apropiado.

Todas estas circunstancias presentan problemasque son salvables técnicamente, pero que encare-cen extraordinariamente el precio actual de lasinstalaciones por lo que, por el momento, los aero-generadores sólo se utilizan en sitios muy remotos,sin posibilidad de conexión económica a las redeseléctricas y para actividades distintas de las agríco-las, como son señales marítimas, refugios de mon-taña, redes de comunicaciones, instalaciones me-teorológicas aisladas, etc.

Fernando Besnier

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