Potencia Eólica: Generación, Componentes y Funcionamiento

La Energía Eólica: Una Fuente Renovable

La energía del viento se deriva del calentamiento diferencial de la atmósfera por el sol. Se estima que solo se aprovecha el 2% de la energía eólica que llega a la tierra. El aerogenerador es un sistema mecánico de rotación provisto de palas y un generador eléctrico con el eje solidario al sistema motriz. El viento hace girar las palas y el rotor del alternador, transformando la energía mecánica de rotación en energía eléctrica.

Las aplicaciones principales de la energía eólica son:

• Bombeo de agua.
• Electrificación rural.
• Demanda de pequeña potencia.
• Agrupación de aerogeneradores en parques eólicos.

En instalaciones aisladas de la red de distribución eléctrica, se emplean acumuladores para almacenar la energía en periodos sin viento. Actualmente, es una de las energías renovables más competitivas gracias a las mejoras técnicas.

Ventajas de la Energía Eólica

• Disminuye la dependencia de carbón, petróleo y materiales radiactivos.
• Contribuye a reducir problemas como la lluvia ácida y el efecto invernadero.
• Es una fuente de energía barata y no produce residuos.
• La tecnología necesaria para su instalación es sencilla.
• Los espacios ocupados por parques eólicos pueden permitir la actividad agrícola.

Inconvenientes de la Energía Eólica

• Posible impacto sobre la fauna y la flora.
• Impacto visual.
• Generación de ruido.
• Interferencia en los medios de comunicación.

El Recurso Eólico: Tipos de Vientos

Vientos Globales

El aire caliente, menos denso y más ligero que el aire frío, asciende mientras que el frío desciende. Esta diferencia de temperaturas aumenta la velocidad del viento. El efecto Coriolis impide que el aire llegue directamente a los polos, induciendo borrascas y anticiclones en masas de aire en movimiento en latitudes intermedias.

Vientos Geostróficos

Son una modelización física de los vientos globales, considerando un equilibrio entre la fuerza de Coriolis y la fuerza generada por el gradiente de presión (diferencias de presión).

Vientos Locales (Brisas Térmicas)

En zonas con grandes diferencias de temperatura, se producen diferencias de presión que generan vientos locales (brisas marinas y vientos de montaña). Estos vientos son los más interesantes para el aprovechamiento de la energía eólica.

Recurso Energético: Potencia y Velocidad del Viento

Potencia Disponible en el Viento

La potencia disponible en el viento depende de su energía cinética.

Potencia Aprovechable en Aerogeneradores

Una turbina eólica convierte la fuerza del viento en un par de giro al actuar sobre las palas del rotor. La energía transferida depende de la densidad del aire, del área de barrido y de la velocidad del viento. En función de la latitud, se crean zonas con vientos globales dominantes (regulares), como los alisios.

Coeficiente de Potencia (Cp)

Se define como la relación entre la potencia aprovechada en el rotor y la potencia disponible del viento. El Cp tiene un valor máximo teórico de 0,593 (16/27). Un aerogenerador con rotor de disco puede aprovechar, como máximo, el 59% de la energía del viento. Las pérdidas en el rotor hacen que las turbinas modernas tengan valores de Cp de aproximadamente 0,5, es decir, el 80% del valor teórico máximo.

Cuantificación de la Velocidad del Viento

La velocidad del viento es crucial para la viabilidad de las instalaciones eólicas. Se utiliza la escala de Beaufort, que va de 0 (calma) a 12 (más de 188 km/h, huracán).

Variación del Viento con la Altura

La escala de Beaufort establece los efectos de las velocidades del viento en la superficie terrestre. La velocidad del viento aumenta con la altura, lo que justifica la altura de los aerogeneradores y la necesidad de aplicar un factor de corrección.

Elementos Eléctricos en la Generación Eólica

Los aerogeneradores aumentan su potencia incrementando el diámetro del rotor (área de barrido), mejorando la aerodinámica de las palas y el rendimiento del generador eléctrico. La energía generada se inyecta en las redes mediante subestaciones de elevación y control.

La tensión trifásica de los generadores (1 kV) se une, mediante transformadores (TA) independientes, a un transformador común que eleva el voltaje a alta tensión de 3ra categoría (antigua media tensión). Los transformadores TA se conectan a los generadores eléctricos y pueden estar dentro de las góndolas o en alojamientos protegidos. La suma energética se realiza en diferentes configuraciones, obteniendo una línea común que se aplica al transformador de alta tensión. Entre las etapas, se disponen componentes de corte para mantenimiento, protección y medida. Los parques eólicos cuentan con vigilancia remota, gestionando desde el centro de control el arranque, parada, desconexión de la red y modificación de la potencia generada.

Transformadores (Trafo)

Dispositivo electromagnético con dos o más bobinas acopladas a través de un flujo magnético mutuo. Sus elementos son el núcleo, el devanado primario (N1 espiras) y el secundario (N2 espiras). Su funcionamiento se basa en la ley de Faraday: un flujo variable en el tiempo induce una fuerza electromotriz en una bobina.

Trafo Ideal

• Núcleo magnético sin pérdidas (permeabilidad infinita).
• Sin pérdidas por efecto Joule en los devanados.
• Sin flujo de dispersión.

Se cumple: E1/E2 = N1/N2 = RT (Relación de Transformación) e I2/I1 = N1/N2.

Trafo Real

Presenta pérdidas por:

• Histéresis y corrientes parásitas de Foucault en el núcleo ferromagnético.
• Resistencias de los devanados.

El núcleo no tiene permeabilidad infinita y existe flujo de dispersión en ambos devanados.

Generadores

El generador eléctrico convierte la energía mecánica del eje del rotor en energía eléctrica. Puede estar acoplado directamente al rotor o a la salida de la caja multiplicadora. Los aerogeneradores suelen usar alternadores, basados en la inducción electromagnética.

Generador Síncrono

La frecuencia de la tensión generada depende del número de pares de polos del inducido y de las revoluciones del rotor o la caja multiplicadora. El generador no responde hasta alcanzar su velocidad de sincronismo.

Generador Asíncrono

Comienza a producir energía eléctrica cuando gira a una velocidad ligeramente superior a la de sincronismo (deslizamiento). Es el más empleado en la industria eólica, disponible en versiones de jaula de ardilla y rotor bobinado. La primera es económica pero con limitaciones; la segunda, más costosa, permite un control de potencia preciso.