GENERADOR EÓLICO CASERO

LABORATORIO 3D

PRIMERA PARTE 

SEGUNDA PARTE DIBUJO 3D 

CREACION DE GENERADOR EOLICO 

Potencial en Colombia

Las perspectivas para la energía eólica en Colombia son grandes, sobre todo en el Caribe, en donde el recurso eólico ha demostrado ser alto. Solamente en esta región, incluida la Guajira, se cuenta con un potencial efectivo de conversión de energía eólica a energía eléctrica de 20.000 MW, en parques eólicos. Ahora, si se quisiera extender a zonas de playa o al mar, este potencial se podría duplicar. 

La evaluación del recurso eólico se realiza a alturas entre 60 y 100 m sobre la superficie. Entre las zonas con buenos vientos en el territorio nacional se encuentran las Islas de San Andrés y Providencia, los alrededores de Villa de Ley-va, Cúcuta, Santander, Risaralda, el Valle del Cauca, el Huila y Boyacá.

Los vientos en Colombia están entre los mejores de Sudamérica. Regiones en donde se han investigado, como en el departamento de la Guajira, han sido clasificados vientos clase 7 (cerca de los 10 metros por segundo (m/s)). La única otra región con esta clasificación en Latinoamérica es la Patagonia, ubicada en Chile y Argentina.

Colombia tiene un potencial estimado de energía eólica de 21GW solamente en el departamento de la Guajira (lo suficiente para satisfacer casi dos veces la demanda nacional de energía). Sin embargo, el país solamente ha instalado 19.5MW en energía eólica, explotando 0.4% de su potencial teórico. Esta capacidad la aprovecha principalmente el Parque de Jepirachi.

Parque de Jepirachi           

Jepírachi, que significa vientos del nordeste (vientos que vienen del nordeste en dirección del Cabo de la Vela) en Wayuunaiki, la lengua nativa Wayuu, es el primer parque para la generación de energía eólica construido en el país.

Se localiza en la región nororiental de la Costa Atlántica colombiana, entre las localidades del Cabo de la Vela y Puerto Bolívar, inmediaciones de Bahía Portete, en el municipio de Uribia.

Tiene una capacidad instalada de 19,5 MW de potencia nominal, con 15 aerogeneradores de 1,3 MW cada uno, sometidos a los vientos alisios que soplan casi todo el año en esta parte de la península, a un promedio de 9,8 metros por segundo. Las máquinas están distribuidas en dos filas de ocho y siete máquinas respectivamente, en un área aproximada de un kilómetro de largo en dirección paralela a la playa y 1,2 kilómetros de ancho al norte de la ranchería Kasiwolin y al occidente de la ranchería Arutkajui.

Vientos en Colombia 

Mes de Julio 

Mapas de vientos en Colombia 

Futuro de la energía eólica

Actualmente muchos países cuentan con la energía eólica como una fuente de energía primaria en pleno desarrollo. Los países que destacan como futuros grandes generadores de energía eólica son: China, India, Sudamérica y EE.UU. De hecho, China cuenta ya con grandes fabricantes de aerogeneradores que han conseguido tecnologías muy fiables.

En la siguiente tabla se muestra el aumento en los diferentes tipos de energía en los últimos años.

En la siguiente imagen se observa la cantidad de compañías internacionales que trabajan con la energía eólica.  De acuerdo a la Open EI, la distribución de las compañías es la siguiente:

• Europa= 136     
• Asia= 91   
• América del norte=212   
• América del sur=21

Los 20 mejores parques  eólicos del 2014:

Centro de Energía Eólica Alta:

El Centro de Energía Eólica Alta (AWEC, Alta Wind Energy Centre) situado en Tehachapi, en California, Estados Unidos, es actualmente el mayor parque eólico del mundo, con una capacidad operativa de 1.020 MW. El parque eólico terrestre es operado por los ingenieros de Terra-Gen Power, quienes se encuentran inmersos actualmente en una nueva ampliación para incrementar la capacidad del parque eólico a 1.550 MW.

Las primeras cinco unidades de AWEC fueron terminadas en 2011, instalándose dos unidades adicionales al año siguiente. La primera unidad estaba formada por 100 turbinas GE 1.5-MW SLE, mientras que las otras seis unidades operativas fueron instaladas con turbinas Vestas V90-3.0MW. A partir de 2013 se iniciaron las fases para implementar otras cuatro unidades más a AWEC, siendo la octava y novena unidad integradas por aerogeneradores de Vestas, mientras que las dos últimas unidades serán instaladas con turbinas GE 1.7-MW y GE 2.85-MW de General Electric. Cuando se combinen, las 11 unidades del parque eólico estarán formadas por 586 turbinas en total.

Datos curiosos en el mundo

• China ha consolidado su posición como líder del mercado mundial, con una capacidad acumulada de más de 62.000 MW.
• Para la India, las instalaciones del 2011 llevaron la capacidad eólica total del país a poco más de 16.000 MW.
• La energía eólica en Canadá tuvo un año récord en 2011, superando el hito de los 5.000 MW. Canadá, y en particular Ontario, se están convirtiendo en un destino muy competitivo para la inversión en energía eólica a nivel mundial.
• Las instalaciones brasileñas aumentaron el 50%, al añadir 587 MW hasta alcanzar un total de poco más de 1.500 MW. “Brasil alcanzó el hito de 1 GW durante el año 2011, y cuenta con una cartera de más de 7.000 MW que se completaran antes de finales de 2016
• La energía eólica marina, es aproximadamente 7 veces más eficientes que los parques eólicos situados en tierra. Las necesidades energéticas enteras de muchos países del mundo, fácilmente podrían cubrirse invirtiendo en parques eólicos marinos.
• La energía eólica puede tener un beneficio económico positivo, especialmente en las zonas rurales, mediante la creación de empleo y riqueza creciente, no sólo a través de la construcción inicial, sino también a través de un mantenimiento continuo. Esto podría resultar muy beneficioso para las naciones subdesarrolladas.
• La turbina eólica más grande del mundo está en Hawái, es tan alta como un edificio de 20 pisos y sus aspas son del tamaño de un campo de futbol.
• Se necesitaría cubrir el 13% del terreno del mundo con turbinas eólicas para poder abastecer de energía a todo el mundo.

Clasificaciones de los vientos. 

Aplicaciones 

Por su parte, las aplicaciones autónomas de máquinas eólicas de pequeña potencia pueden ser rentables en muchos casos, según las condiciones eólicas y las características concretas de las diferentes alternativas que se comparen. Las posibilidades que existen en este ámbito se pueden dividir en tres grupos, según el tipo de energía utilizada en cada caso:

• Energía mecánica: aplicación inmediata en el bombeo de agua por medio de bombas de pistón, de tornillo helicoidal o centrífugas
• Energía térmica: obtenible a partir de la energía mecánica bien por calentamiento de agua por rozamiento mecánico, o bien por compresión del fluido refrigerante de una bomba de calor.
• Energía eléctrica: aplicación más frecuente, pero que obliga a su almacenamiento o a la interconexión del sistema de generación autónomo con la red de distribución eléctrica.

En resumen, las aplicaciones de la energía eólica de forma autónoma están basadas principalmente en las necesidades de pequeñas comunidades o de tareas agrícolas, pudiendo sintetizarse en los siguientes puntos:

• Bombeo de agua y riego.
• Acondicionamiento y refrigeración de almacenes.
• Refrigeración de productos agrarios.
• Secado de cosechas.
• Calentamiento de agua.
• Acondicionamiento de naves de cría de ganado.
• Alumbrado y usos eléctricos diversos.

Rendimiento total del sistema eólico

El rendimiento depende del tipo de aerogenerador y del régimen de viento del sitio donde está operando la máquina. Las turbinas eólicas se diseñan para trabajar en determinadas condiciones del viento. Cuando la máquina se ubica en un sitio donde las condiciones son diferentes a las de diseño, ésta se comporta con un rendimiento menor.

El rendimiento global del aerogenerador comprende, primeramente, el rendimiento del rotor. La potencia máxima que puede capturar un rotor, está limitada por el conocido «límite de Betz», en honor a su descubridor, el alemán Alberto Betz. El límite de Betz es 59,3% de la potencia disponible del viento de aproximación al rotor.

A diferencia de los grandes aerogeneradores que se instalan en sitios con velocidades apreciables, los pequeños aerogeneradores se ubican donde existe la necesidad. Por lo general, donde existen las necesidades no se producen altas velocidades del viento, todo lo contrario, lo más probable es que las velocidades del viento sean bajas. Debido a esto, esas pequeñas máquinas convenientemente se diseñan para que trabajen mejor a bajas velocidades del viento. De aquí que en sitios con vientos altos, la eficiencia de los pequeños aerogeneradores sea baja. Si bien en sitios con velocidades bajas (4 m/s) puede llegar a casi 30%, en lugares con altas velocidades (7 m/s) sólo convierte entre 15 y 16%. Para valores intermedios, como 5-6 m/s, puede ser alcanzable un valor de 25 y 21%, respectivamente.

Los grandes aerogeneradores con mejores diseños aerodinámicos llegan como máximo a 40%. En general, los rendimientos de los aerogeneradores se mueven entre 12 y 40%. El rendimiento total de los pequeños aerogeneradores se estima entre 15 y 30%.


TIPOS DE AEROGENERACION

La máquina que hace posible que hoy en día se hable de energía eólica como una fuente de energía, es el aerogenerador. Éstos han ido evolucionando para adaptarse a distintas necesidades a lo largo de los años.

Los distintos aerogeneradores que existen son:

Aerogenerador de eje vertical: es el concepto original de aerogenerador dentro de la energía eólica, ya que permite colocar el tren de potencia (multiplicadora, generador eléctrico, etc.) en la base del aerogenerador, facilitando así la instalación de estos aerogeneradores. Las palas de este aerogenerador están girando en un plano paralelo al suelo.

Aerogenerador de eje horizontal: es el concepto para producir energía eólica que se ha implantado a lo largo de los años. Consiste en colocar el tren de potencia en la parte superior junto al eje de giro de la turbina eólica. Las palas de este aerogenerador están girando en un plano perpendicular al suelo.

La góndola contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador eléctrico. El personal de servicio puede entrar en la góndola desde la torre de la turbina. A la izquierda de la góndola tenemos el rotor del aerogenerador, es decir, las palas y el buje.

El buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador.

Las palas del rotor capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador moderno de 1000 kW cada pala mide alrededor de 27 metros de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un avión.

El eje de baja velocidad del aerogenerador conecta el buje del rotor al multiplicador. En un aerogenerador moderno de 600 kW el rotor gira bastante lentamente, de unas 19 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.). El eje contiene conductos del sistema hidráulico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámicos.

El eje de alta velocidad gira aproximadamente a 1.500 revoluciones por minuto (r.p.m.), lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.

El multiplicador tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que está a su derecha gire 50 veces más rápidamente que el eje de baja velocidad.

El generador eléctrico suele llamarse generador asíncrono o de inducción. En un aerogenerador moderno la potencia máxima suele estar entre 500 y 3000 kilovatios (kW).

¿Por qué no un número par de palas?

Los ingenieros de modernos aerogeneradores evitan construir grandes máquinas con un número par de palas.

La razón más importante es la estabilidad de la turbina. Un rotor con un número impar de palas (y como mínimo tres palas) puede ser considerado como un disco a la hora de calcular las propiedades dinámicas de la máquina. Un rotor con un número par de palas puede dar problemas de estabilidad en una máquina que tenga una estructura rígida. La razón es que en el preciso instante en que la pala más alta se flexiona hacia

Atrás, debido a que obtiene la máxima potencia del viento, la pala más baja pasa por la sombra del viento de enfrente de la torre. La mayoría de

aerogeneradores modernos tienen diseños tripala, con el rotor a barloviento (en la cara de la torre que da al viento), usando motores eléctricos en sus mecanismos de orientación. A este diseño se le suele llamar el clásico "concepto danés", y tiende a imponerse como estándar al resto de conceptos evaluados. La gran mayoría de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseño. El concepto básico fue introducido por primera vez por el célebre aerogenerador de Gedser. Otra de las características es el uso de un generador asíncrono.

Por qué no un generador un aerogenerador unipala o bipala?

Los diseños bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y, por su puesto, su peso. Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida. Esto supone una desventaja tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual. Últimamente, varios fabricantes tradicionales de máquinas bipala han cambiado a diseños tripala.

Las máquinas bi y monopala requieren de un diseño más complejo, con un rotor basculante (buje oscilante), como el que se muestra en el dibujo, es decir, el rotor tiene que ser capaz de inclinarse, con el fin de evitar fuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las palas pasa por la torre. Así pues el rotor está montado en el extremo de un eje perpendicular al eje principal, y que gira junto con el eje principal. Esta disposición puede necesitar de amortiguadores adicionales que eviten que las palas del rotor choquen contra la torre.

 Estadísticas de Consumo de energía de una casa 

Ventajas

-Es renovable y abundante

-No utiliza combustión, por lo tanto es una energía económica

- Es limpia, no contamina

 -Aprovecha las zonas áridas, o no cultivables por su topografía

-No daña el suelo y sus fines agrícolas o ganaderos

-Genera empleo

-Garantiza autonomía por más de 80 horas, sin conexión a redes de suministro

-Es segura y confiable

-Ahorra gasto de combustible en centrales térmicas y/o hidroeléctricas

-Su impacto ambiental es bajo

-Es energía renovable: habrá viento hasta que el sol se extinga

-El impacto ambiental de las instalaciones eólicas es muy pequeño: 
El ruido es pequeño: puede mantenerse una conversación sin esfuerzo en la base de un aerogenerador. El ruido nivel del ruido es como el de un refrigerador a 50 metros. 
-Los parques eólicos solo ocupan un 2% de la tierra. El 98% restante puede utilizarse para pastos, carreteras, industrias etc... 
-La muerte de las aves es menor que la produccida por lineas de corrientes, casas o coches. Los nuevos diseños tubulares de las torres minimizan el problema. El impacto en la fauna es positivo si uno tiene en cuenta la reduccion de emisiones que involucra. 
-proporciona diversificación rural y empleo local, es fácil de integrar en redes de potencia eléctrica ya existentes. 
-El diseño de los aerogeneradores son flexibles y con diversas aplicaciones. 
-El costo de producción ha bajado más de un 80% en dos décadas. 

Desventajas

·         Es discontinua, su intensidad y dirección cambian repentinamente

·         Depende de fuentes tradicionales para su funcionamiento

·         Las centrales térmicas de respaldo aumentan el consumo energético

·         Requiere cables de alta tensión cuatro veces más gruesos para evacuar la producción

·         La fluctuación en la intensidad del viento produce apagones y daños

·         No es almacenable

·         Presenta serios inconvenientes de carácter técnico en su producción

NUESTRO GENERADOR EOLICO

Aerogeneradores rápidos 

En este tipo de aerogeneradores el número de palas es pequeño. Su ventaja respecto a las eólicas lentas es que su potencia por unidad de peso es mucho mayor, por lo que al ser más ligeros pueden construirse generadores de un radio mucho mayor, así como situar el buje o punto de giro central del rotor a alturas mucho mayores y por consiguiente aprovechar el efecto de aumento ed la velocidad del viento con la altura. En la actualidad se construyen eólicas con diámetros de rotor que alcanzan los 90 m y con una potencia nominal de 3 MW, lo que da una idea del área de barrido del rotor.

Las características principales son:

• Reducido número de palas, entre 1 y 4, aunque los más usados son de 3 palas.
• Máquinas más ligeras que las eólicas lentas, y por lo tanto pueden construirse de mayor tamaño.
• Requieren una velocidad del viento para su arranque mayor que las eólicas lentas (entre 4 y 5 m/s). Poseen un par de arranque menor.
• Alcanzan su potencia nominal para velocidades del viento entre 12 y 15 m/s. A partir de velocidades del orden de 25 a 30 m/s se produce la parada del rotor para evitar daños sobre la máquina.
• En los aerogeneradores rápidos, el valor máximo del coeficiente de potencia se sitúa en el entorno de Cp=0,4.

Calculos 

Velocidad mínima para que funcione el generador:

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