Diseño óptimo de un sistema híbrido diésel eólica con almacenamiento de aire comprimido

Volvemos nuevamente a hablar de los sistemas híbridos utilizados para minimizar  el coste de los combustibles que sufren las comunidades aisladas o instalaciones técnicas (comunicaciones, sistemas meteorológicos, instalaciones turísticas, granjas, etc.). La generación de electricidad a partir de fuentes diesel es hoy en día más caro que la producción en grandes plantas de generación (gas, hidroeléctrica, nuclear, eólica) y además supone un coste ambiental añadido.

Métodos de cálculo de las tensiones en una turbina eólica

Estimación de la fatiga para un aspa rotatoria de una turbina eólica

La estimación de la fatiga de un aspa rotatoria puede ser útil para prevenir la rotura de las aspas, lo cual es un problema muy frecuente en el uso de la turbina eólica.

La causa principal del fallo de las turbinas eólicas es la fatiga, debido a que las aspas de las turbinas eólicas expuestas a las cargas del viento son vulnerables al daño acumulado debido a la naturaleza cíclica de la carga. La dificultad en predecir la fatiga es en parte debida a un conocimiento insuficiente del comportamiento dinámico de estas máquinas. Además, la curva S-N que da el número de ciclos de tensión para el fallo están gravados con la incertidumbre debida a un número limitado de especímenes de ensayos así como la variabilidad entre especímenes.

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (7ª PARTE)

Construcción de una torre inclinada

PARTE 6ª

14.  Mecanismo de frenado de emergencia

Si bien no es imprescindible muchas turbinas eólicas incorporan algún medio de parar la turbina para repararla, en caso de emergencia, para mantenimiento rutinario, o cuando la energía no se necesita. Muchas turbinas usan un freno dinámico que simplemente cortocircuita las tres fases eléctricas y actúa como un desconectador. Otros tienen un freno mecánico, activado por un pequeño cabrestante colocado en la base de la torre, ya sea mediante un freno de disco o de tambor. Otras veces se coloca un enrollador mecánico que inclina el rotor fuera de la exposición al viento. Un freno mecánico es usualmente más fiable y efectivo que un freno dinámico.

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (6ª PARTE)

Los molinos de viento llegaron a España en el siglo XVI

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12.      Construcción detallada de aspas de madera

La mayoría de los aficionados a la construcción de aerogeneradores se conformarán con un aspa sencilla y los resultados probablemente sean buenos pero podemos intentar ir más allá y buscar un diseño “casi” profesional.

Antes de nada decir que si bien la madera ha sido sustituida en la construcción de aspas por materiales compuestos y especialmente por fibra de carbono, la experiencia en la fabricación de aspas de madera para obtener energía del viento viene de una tradición de siglos pues aparecieron en el siglo XI para moler el trigo a partir del viento. 

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (5ª PARTE)

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10.      Diseño de las aspas

Una vez hemos estimado el generador eólico será el momento de diseñar las aspas, construirlas y probarlas. Según nos esmeremos más o menos el aerogenerador será más o menos eficiente.

Un diseño preliminar de las aspas de la turbina podemos hacerlo a partir del siguiente enlace. Variando la potencia, la velocidad y el número de aspas gráficamente obtenemos un diseño preliminar. En este otro enlace encontramos software gratuito para el diseño de aspas y en este otro encontraremos un tutorial con una descripción más detallada sobre el cálculo de aspas.

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (4ª PARTE)

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Procedimiento 2

El cálculo de la energía que necesitamos es algo más habitual, pero no lo es averiguar la potencia que nos producirá la turbina en función de la longitud de las aspas. Éste es un aspecto crítico en el diseño pues cuanto más equilibrada esté el generador con la capacidad de producir energía con las aspas mucho mejor. Esto vamos a poder hacerlo de una forma muy sencilla utilizando un calculador que nos realiza los cálculos de forma automática.

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (3ª PARTE)

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7.      Multiplicador de velocidad

Otra opción que tenemos es usar un multiplicador de velocidad, de forma que consigamos que la velocidad más lenta del aerogenerador se transmita al eje del generador a mayor velocidad. Estos componentes permiten transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes, pudiendo modificar las características de velocidad y sentido de giro. Los ejes pueden ser paralelos, coincidentes o cruzados. Este mecanismo se emplea como reductor de velocidad en la industria (máquinas herramientas, robótica, grúas...), en la mayoría de los electrodomésticos (vídeos, cassetes, tocadiscos, programadores de lavadora, máquinas de coser, batidoras, exprimidores...), en automoción (cajas de cambio de marchas, cuentakilómetros, regulación de inclinación de los asientos...), etc.

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (2ª PARTE)

Turbina de 1,5 kW en corriente continua para bombear agua en una explotación ganadera

Ver 1ª PARTE

4.      Determinación del lugar para colocar nuestro aerogenerador

La colocación de un generador debe hacerse en un lugar expuesto al viento y preferentemente en lugares donde el régimen de viento sea constante.  

El lugar de instalación de nuestra turbina solar está condicionada por la ubicación de la vivienda y su altura. Si vivimos en un lugar ventoso no tendremos problemas para seleccionar el lugar de instalación, pero si hay menos disponibilidad de viento nos veremos obligados a colocar la turbina sobre edificios elevados o torres altas. En un lugar elevado vamos a tener casi con seguridad suficiente disponibilidad de viento para una pequeña aplicación de aerogeneración.

Guía para la construcción artesanal de una turbina eólica doméstica (1ª PARTE)

¿Puedo usar un pequeño generador eólico para obtener la energía que necesito en mi casa?

Cada vez es mayor el número de personas que se hacen esta pregunta, especialmente aquellas que viven en lugares con un régimen de viento propicio a la energía eólica. La respuesta es afirmativa si vivimos en un lugar en el que el viento aunque sea suave está presente casi todos los días del año.  Con vientos tan bajos como 2,4 m/s pueden arrancar las pequeñas turbinas y funcionan perfectamente con velocidades de 8,3 m/S.

Hacia la turbina eólica de 20 MW

El desarrollo de las energías alternativas no parece tener límite y el esfuerzo investigador de los últimos años está dando ya su fruto. En las turbinas eólicas hace poco tiempo que estábamos hablando del desarrollo de unidades con unos pocos megas y ahora se avista en el horizonte un gigante de 20 Mw.

Sobre cómo las grandes turbinas eólicas hacen caer el precio de la energía

Venimos hablando en muchos artículos de costes de la energía y de cómo mientras aumentan los precios de los combustibles fósiles están cayendo en todos los demás casos. Volvemos a hablar de la competitividad en costes de la energía eólica (ver competitividad de la energía eólica) y esta vez nos centramos en cómo caen los costes en las grandes turbinas.

La competitividad de las centrales térmicas de carbón frente a la energía eólica (3ª PARTE)

Ver 2ª PARTE

A la vista de los dos artículos anteriores parece que se confirma una seria pérdida de competitividad de la energía procedente del carbón respecto a la energía eólica. Especialmente interesante son las conclusiones del estudio de Hardvard que demnuestra que los costes de 18 céntimos que hasta ahora no se habían contemplado en los costes de la energía eléctrica del carbón alteran profundamente el panorama de la competitividad de esta fuente de energía. Con estos nuevos datos, un tipo de energía que tan solo en Estados Unidos representa un 45 % de la consumida por el país, deja de ser una de las fuentes de generación más baratas y se convierte en una de las más caras.

La competitividad de las centrales de carbón frente a la electricidad eólica (2ªPARTE)

Ver 1ª PARTE
  

La caída de los precios de la energía eólica

En este continuo replanteamiento de la competitividad de la energía ha contribuido el gran impulso al desarrollo de turbinas eficientes que ha tenido lugar en los últimos veinte años. Según Bloomberg New Energy Finance´s Wind Turbine Price Index, los nuevos desarrollos eólicos consiguieron en febrero pulverizar la barrera de € 1 m por MW. Pero lo más letal para las energías convencionales es que los precios siguen cayendo en todo el mundo gracias a la intensa competencia entre los fabricantes. Los economistas de Bloomberg estudiaron los datos proporcionados por 28 de los mayores compradores de turbinas eólicas del mundo. La muestra incluye más de 150 contratos de turbinas, con una potencia total de 7 GW en 28 mercados mundiales.
  

La competitividad de las centrales térmicas de carbón frente a la electricidad eólica (1ª PARTE)

Central Térmica de Carbón en el suroeste de Düsseldorf y Neuss

Ilustramos con una foto de la gran central térmica de carbon en la ciudad alemana de Düsseldorf para iniciar una serie de artículos revisando la competitividad de las centrales de carbón frente a las centrales eólicas. Es buen momento para hacerlo por el actual incremento de precios en los combustibles fósiles y porque la reconstrucción del Japón va a requerir mucho carbón. Como vimos hace días, la hipótesis de que el carbón y el gas nuclear aumente de precio como como consecuencia de la crisis del Japón es algo más que una idea vaga (ver aquí).

Últimos avances en almacenamiento de energía para aplicaciones de generación eólica y solar (1ª PARTE)

Planta de almacenamiento de energía

Tratamos nuevamente un aspecto crítico de la generación, el almacenamiento de energía. A nuestro parecer si se sabe gestionar correctamente un sistema de generación distribuida la capacidad competitiva es muy alta. Al producir nuestra propia energía nos evitamos las pérdidas de distribución y reparto y tampoco hay intermediarios que generen o comercialicen. El problema es que generar para consumo propio y saber repartir la energía entre las cargas es bastante complejo incluso a pequeña escala. Uno de los puntos críticos es el almacenamiento de la energía. Vamos a volver a hablar de ello.

Uno de los problemas a los que se enfrenta quien desea gestionar su propia energía es que las compañías distribuidoras nos han acostumbrado a una disponibilidad ilimitada de energía. Los usuarios están acostumbrados a encender un interruptor y tener luz sin problema.

Aplicaciones diesel - eólica en climas árticos (4ª PARTE)

Ver 3ª PARTE

Estudio del sistema

El proyecto que tomamos como ejemplo fue el primero de este tipo desarrollado en Canadá, el denominado Ramea wind-diesel Project. Se integraron 390 kW de eólica en una comunidad con una carga pico de 1.2 MW. Buenos recursos de viento en correlación con periodos de carga alta, y aceptación de la comunidad hicieron posible un sistema de energía de media penetración. Un sistema de control digital completamente automatizado facilita la integración uniforme del viento y asegura la interoperabilidad con la red remota existente.

Aplicaciones diesel - eólica en climas árticos (2ª PARTE)

Ver 1ª PARTE

Sistemas de alta penetración

Cuando aumenta la penetración de energías renovables, eventualmente puede crearse más energía de la que se necesita. Cuando el viento proporciona energía para una gran proporción de la carga, la capacidad de los motores diesel para controlar la frecuencia y el voltaje se reduce significativamente. Adicionalmente, a menos que haya una gran necesidad de energía adicional - térmica o eléctrica - tiene sentido financiero apagar los motores diesel. La ventaja operacional de estos sistemas es que pueden instalarse equipos adicionales que aseguren la estabilidad y calidad del sistema de energía cuando el motor diesel se apaga. En este caso, cualquier producción de energía instantánea por encima de la carga eléctrica requerida es suministrada a una gran variedad de cargas secundarias controlables. En estos sistemas se usan condensadores síncronos, bancos de carga, cargas, convertidores de energía, controles de sistema avanzados, y posiblemente almacenaje en forma de baterías o con almacenamiento dinámico de la energía (tecnología flywheel).

Sistemas de sensores inteligentes para alta eficiencia energética

El diseño de máquinas sin sensores ya no se concibe hoy en día, pues utilizándolos conseguimos garantizar la seguridad, un alto nivel de eficiencia y por lo tanto una mayor competitividad.

Ejemplos del mundo de las energías renovables pueden mostrar cómo los sistemas de sensores inteligentes ayudan a lograr este objetivo.

Fluctuaciones de energía en plantas eólicas aisladas

Esquema de una planta eólica aislada en Puerto de la Cruz (España)

Uno de los problemas típicos de los convertidores de energía eólica es la variación en la energía repartida, que es la causa principal de la relación entre la naturaleza eólica del viento y la potencai. Sin embargo, añadido a estas variaciones aleatorias, fluctuaciones periódicas pueden aparecer en la energía eléctrica. Las causas posibles de estas oscilaciones son: desequilibrio turbina rotor, aspas pasando frente a la torre, muestreo rotacional y modos estructurales. Los modos estructurales pueden aparecer debido a que el viento excita frecuencias propias de la estructura mecánica que implica aspas, torre y tren de transmisión.

Optimización del tren motriz de las turbinas eólicas

Hay un componente crítico para soportar el eje de transmisión de un rotor de la turbina eólico, y mucho puede ser hecho para optimizar la funcionalidad de un rodamiento y maximizar la vida útil.

Cuando los fabricantes de una turbina eólica ganan experiencia con diseños de cajas de engranajes y turbinas, elevaron la necesidad de mejorar la fiabilidad de los trenes motrices mientras emplean una estructura que optimiza la estructura de costes de turbinas y torres. Los diseños de generadores de turbinas han utilizado históricamente una arquitectura modular con un generador, una caja de engranaje y eje principal. Sin embargo, nuevas aproximaciones han emergido aumentando la fiabilidad y coste de la turbina. Dos de las arquitecturas más comunes incluyen transmisión directa y turbinas de transmisión híbrida de media velocidad.