Diseño de generadores eólicos

Abstract

La crisis del Petróleo obliga a muchos países a orientar sus investigaciones al aprovechamiento de otras fuentes de energía, tales como la energía hidráulica, solar, eólica, etc. Contribuye a esta orientación la circunstancia de que el precio de los combustibles fósiles varían constantemente, el agotamiento de estos a mediano plazo y el efecto que produce en la contaminación del medio ambiente. El país tiene un gran potencial hidráulico aprovechable en proyectos de carácter energético. Los altos costos de implementación de estos proyectos hacen que la ejecución y el desarrollo de las centrales hidroeléctricas se realicen en forma paulatina. El carácter disperso de los centros de carga y la magnitud de los mismos también contribuye a aplazar la ejecución de estos proyectos. Sin embargo, en el futuro, el país debe utilizar como principal fuente de energía la energía hidráulica debido a su gran potencial hidráulico aún no aprovechado. Por otro lado, los grandes y medianos proyectos de electrificación no consideran la solución del problema de energía eléctrica para las pequeñas localidades y aldeas del país, las cuales se encuentran dispersas en todo el país. La demanda reducida de energía eléctrica y las grandes distancias de separación entre ellas impide la utilización de los sistemas interconectados. Por consiguiente, la alternativa para suministrar energía eléctrica a las aldeas y pequeñas localidades del país es ejecutar pequeños proyectos que aprovechen la energía eólica, la energía solar, y la energía hidráulica en forma de microcentrales hidroeléctricas no convencionales de acuerdo con el recurso disponible en cada región. Por esta razón, es muy importante conocer el potencial energético de cada una de estas fuentes de energía en todas las regiones del país. Los aerogeneradores de baja potencia, menores de 10 KW de potencia, puede resolver el problema de energía de muchas aldeas y pequeñas localidades del país. - El objetivo del presente trabajo es analizar, precisa - mente, la alternativa de utilización de esta fuente de energía. El primer capítulo del trabajo define los conceptos fundamentales de la energía eólica y desarrolla un modelo matemático de interpretación de los datos experimentales de velocidad de viento. La función densidad de probabilidades de Weibull es analizada teóricamente y se plantea tres métodos de determinación experimental de los parámetros K y C de la función de Weibull para un caso de aplicación específico. El segundo capítulo prueba el modelo matemático de Weibull para diferentes condiciones de viento. El tercer método, denominado método del patrón de energía, es la que mayor responde a los datos experimentales. A continuación, se desarrolla un método de interpolación para determinar los parámetros K y C en un lugar de aplicación conociendo los parámetros de las estaciones meteorológicas cercanas. También se presenta una forma de transformar los parámetros K y C para una altura diferente al que se realizó la medición. Se obtiene un atlas eólico inicial con los criterios señalados haciendo especial énfasis a la región de la sierra central del país. El tercer capítulo analiza las condiciones de acoplamiento del régimen de viento y del aerogenerador. Se determinan las expresiones matemáticas de la energía aprovechable en un lugar específico de acuerdo con las características de viento y del aerogenerador. Se obtiene ábacos para la determinación de la energía en forma adimensional, los cuales se presentan en el apéndice A. El cuarto capítulo trata sobre el diseño conceptual de la turbina eólica. Se analiza las características del rotor y las expresiones matemáticas que determinan la eficiencia máxima. También se plantea la secuencia a seguir en el diseño conceptual de la turbina eólica. Se determinan ábacos para el diseño de una turbina a fin de obtener el máximo coeficiente de potencia, los cuales se presentan en el apéndice B. El quinto capítulo trata sobre las condiciones de acoplamiento de la turbina eólica y el generador eléctrico. Se obtienen las expresiones matemáticas que determinan las condiciones de acoplamiento óptimo del Sistema turbina-generador para una óptima transformación - de la energía. El sexto capítulo analiza las características fundamentales de los principales generadores utilizados en sistemas aerogeneradores. Se hace un análisis del diagrama de bloques del sistema de regulación que debe utilizarse en los generadores eléctricos. El autor desea agradecer a todas las personas que de una u otra forma han participado en la elaboración - del presente trabajo, en especial, al Dr. James Bravo Basaldua que como Asesor ha brindado un permanente estímulo, al Ing. Alfredo Oliveros Donohue por sus consejos y ayuda brindada a nivel de información, a mis colegas y amigos de la División de Energía del ITINTEC por la ayuda prestada y a mis amigos de la Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga, mi centro de trabajo, por la ayuda desinteresada recibida durante la elaboración de la tesis.