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Índice
1 Objetivos.......................................................................................................................................................... 2
2 Unidades y abreviaturas a utilizar................................................................................................................... 3
3 Distintos tipos de eólicos................................................................................................................................. 4
3.1 Mapa eólico............................................................................................................................................. 4
3.2 Retomando conceptos ............................................................................................................................ 4
3.3 Generadores eólicos................................................................................................................................ 6
3.3.1 Partes de un eólico .......................................................................................................................... 6
3.3.2 Conceptos relevantes...................................................................................................................... 8
3.3.3 La hélice y su performance.............................................................................................................. 8
3.3.4 Clasificación según eje................................................................................................................... 11
3.3.5 De eje horizontal ........................................................................................................................... 12
3.3.6 Según número de palas................................................................................................................. 15
3.3.7 Generadores eólicos de eje vertical .............................................................................................. 18
3.3.8 Comparación entre generadores de eje horizontal y de eje vertical ............................................ 21
4 Anexo............................................................................................................................................................. 23
4.1 Fotografías adicionales a explicar en la clase........................................................................................ 23
4.1.1 Eólicos de distinta potencia........................................................................................................... 23
4.1.3 Evolución de Parque Eólico Arauco............................................................................................... 24
5 Bibliografía..................................................................................................................................................... 25
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1 Objetivos
Conocer en profundidad el comportamiento de los distintos tipos de eólicos.
Analizar cada uno y sus partes.
Sentar las bases para el estudio de las unidades que siguen, de cálculo, dimensionamientos e
instalaciones.
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2 Unidades y abreviaturas a utilizar
A Amperio
CA Corriente alterna
Ah Amperio-hora
B/N Blanco y negro
Btu Unidad térmica británica ( 1
Btu = 1055.06 J)
BUN-CA Biomass Users Network
Centroamérica
kWh Kilovatio hora
kWh/m2
Kilovatio hora por metro
cuadrado
LPG Gas de petróleo líquido
lts Litros
M Mega (106
)
m2 Metro cuadrado
m3 Metros cúbicos
CO Monóxido de carbono mm Milímetros
CO2 Dióxido de carbono m/s Metros por segundo
CD Corriente directa MW Mega vatios
EPDM Ethylene Propoylene Diene oC Grados Centígrados
Monomer ONG Organización No
G Giga (109
) Gubernamental
GEF/FMAM Fondo para el Medio Psig Libras de presión por
Ambiente Mundial pulgada cuadrada
Gls Galones PNUD Programa de las Naciones
GTZ Cooperación alemana para Unidas para el Desarrollo
el desarrollo PV Fotovoltaico (por sus siglas
Gw Giga vatio (109 vatios) en inglés)
GWh Giga vatios hora PVC Cloruro de polivinilo
HCs Hidrocarburos T Tera (1012)
HR Humedad relativa TCe Toneladas de carbón
Hz Hertz equivalente
J Joule (0,239 caloría ó 9,48 TM Tonelada métrica
x 10-4
, unidades térmicas US$ Dólares USA
británicas, Btu) UV Ultravioleta
J/s Joules por segundo V Voltios (el monto de
K Kilo (103
) “presión”de electricidad)
Km/s Kilómetros por segundo W Vatios (la medida de energía
kW (1000 vatios) -unidad de eléctrica, Voltios x amperios
potencia- = vatios)
kW/m2 Kilovatios por metro Wp Vatios pico
cuadrado W/m2 Vatios por metro cuadrado
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3 Distintos tipos de eólicos
3.1 Mapa eólico
Una de las cuestiones que influirá sobre la elección del tipo de eólico a utilizar, es la zona del mapa eólico
en la que vayamos a realizar una determinada instalación. A través de tal mapa, no solo tendremos la velocidad
promedio del viento en cada sector, sino también la influencia topográfica de las ondulaciones que el viento
pueda llegar a tener. Por eso daremos una breve introducción a este tema, que retomaremos en unidades
siguientes, estableciendo las consecuencias que cada escenario puede tener, en instalaciones de distintas
escalas.
Los datos medidos en superficie de dirección e intensidad del viento se utilizan para inicializar el modelo,
la preparación es una etapa muy importante en la elaboración del mapa eólico. Se realiza también generalmente
un relevamiento de estaciones meteorológicas para comprobar y obtener una descripción in situ de la
instalación de los anemómetros, distancia de los mismos a los obstáculos más cercanos y altura de dichos
obstáculos.
¿Qué es un anemómetro?
El anemómetro o anemógrafo es un aparato meteorológico utilizado para medir la velocidad del viento y así
ayudar en la predicción del clima. Es también uno de los instrumentos básicos en el vuelo de aeronaves más
pesadas que el aire.
Una vez estudiado cada tipo de eólico, veremos en profundidad como hacer las mediciones. Por lo pronto,
se aconseja en la teleclase mecanismos a los que podrá acceder en internet, para determinar topografías y ubicar
mapas eólicos. También se ejemplifica en tal clase con casos concretos lo dictado en la unidad 2, para que luego
de haberla estudiado, pueda relacionar estas situaciones, con las experiencias mencionadas.
3.2 Retomando conceptos
Recordemos un poco de lo visto en la clase anterior. Qué tipo de eólicos existían?Hagamos un repaso!
Entenderemos más de este cuadro, en esta unidad.
Tipo Foto Gama de relación
aspa/viento
CP* RPM Por Carga típica
Hélice
(empuje).
Los más
utilizados
actualmente
6 a 10 (hasta 20) 0,42 Muchas Bajo
Generador
eléctrico
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Darrieus
(empuje)
5 a 6 0,40 Muchas Bajo
Generador
eléctrico
Ciclogiro
(empuje)
3 a 4 0,45 Moderadas Moderado
Generador
eléctrico o
bomba
Chalk (multi
aspas)
(empuje)
3 a 4 0,35 Moderadas Moderado
Generador
eléctrico o
bomba
Aspas de
vela
(empuje)
4 0,35 Moderadas Moderado
Generador
eléctrico o
bomba
Ventilador
(rozamiento)
1 0,30 Pocas Alto Bomba
Savonius
(rozamiento)
1 0,15 Pocas Alto Bomba
Holandés
(rozamiento)
2 a 3 0,17 Pocas Alto
Bomba o
piedra de
molino
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3.3 Generadores eólicos1
Más allá de todas las clasificaciones que pueden hacerse, hay ciertos elementos, que los generadores
eólicos suelen compartir y no pueden faltar. Debajo, iniciaremos un detalle de cada uno de ellos, e iremos
haciendo más precisiones a lo largo del curso de qué función tienen y como se adaptan a cada tipo de eólico. Un
generador eólico o aerogenerador es un equipo que capta la energía cinética del viento convirtiéndola en
energía eléctrica. A continuación se describen brevemente las partes más importantes de un SCEE (Sistema de
conversión de energía eólica) y algunos conceptos que irán tomando relevancia en el desarrollo del curso.
3.3.1 Partes de un eólico
3.3.1.1 Rotor
Es el que transforma la energía cinética del viento en la energía mecánica que se utiliza para impulsar el
generador eléctrico. Se compone de las aspas o palas, el cubo en donde se ensamblan las aspas, y la nariz, que
es la punta frontal en forma de cono, y que se utiliza para evitar turbulencias en el centro del rotor. Veremos
luego, como se calcula la hélice óptima y su generación.
3.3.1.2 Sistema de transmisión mecánica
Está compuesto del eje principal o eje de baja velocidad, la caja de engranajes, y el eje de alta velocidad. El
eje principal es el que transmite el torque aerodinámico del rotor al sistema del generador. La caja de
engranajes, (gear box) es la que convierte la velocidad del rotor que es baja, a una velocidad alta para que un
generador convencional pueda producir electricidad. El eje de alta velocidad es el que le entrega la potencia
mecánica al generador directamente.
3.3.1.3 Generador eléctrico
Es el encargado de convertir la energía mecánica en energía eléctrica. En este caso, la velocidad de rotación
puede ser variada, diferente a cuando se usan generadores asíncronos convencionales. Otro concepto consiste
en emplear generadores síncronos. Hay diferencias entre los generadores síncronos y asíncronos. Los últimos se
emplean más, ya que pueden conectarse directamente a la red y son más robustos y de menor mantenimiento.
Un generador síncrono de velocidad constante conectado a la red presenta problemas técnicos muy difíciles de
eliminar. Por lo anterior, actualmente no existen generadores síncronos de velocidad constante, sino de
velocidad variable. Éste no se puede conectar directamente a la red de corriente alterna con frecuencia
constante, por lo que es preciso utilizar un convertidor de frecuencia como elemento intermedio entre el
generador y la red. Esta desventaja de tener que utilizar un complicado sistema adicional para la sincronización
se compensa con una mayor eciencia de la turbina y una mejor compatibilidad con la red.
1 M.A. Borja. Estado del arte y tendencias de la tecnología eoloelectrica . Instituto de Investigaciones Eléctricas, ́
http://genc.iie.org.mx/genc/eolica/libroo/, 1999.
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3.3.1.4 Sistema de orientación
El sistema de orientación está compuesto generalmente por un servomecanismo que gira la góndola en la
dirección del viento sensada por una veleta.
3.3.1.5 Sistema de control
Está compuesto por sensores, actuadores y un controlador principal que tiene diferentes funciones:
regulacion de potencia, control de la velocidad, control del voltaje, arranque y paro de la maquina, orientación
de la turbina, control de otras variables como son temperatura y vibración.
3.3.1.6 Sistema de seguridad
El sistema de seguridad generalmente tiene como función llevar al aerogenerador a una condición segura y
estable, para las personas y para el mismo equipo. Se compone de los sistemas de frenado, sistemas de
detección de altas temperaturas, presiones y vibraciones.
3.3.1.7 Gondola (nacelle)
Es la capsula o encerramiento que protege al generador, a los sistemas de transmisión y orientación y a
otros componentes. Se acopla a la torre y al rotor
3.3.1.8 Torre
Es el soporte de la góndola y del rotor, es de diseño robusto para soportar toda la dinámica de la turbina
eólica. Los componentes principales de un generador eólico se muestran a continuación.
3.3.1.9 Gráfico explicativo de turbina estándar
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3.3.2 Conceptos relevantes2
A partir de este capítulo, veremos cada tanto conceptos como estos en el material. Debajo los definimos para
luego poder citarlos en explicaciones y gráficos:
Angulo de paso (pitch angle): Es el ángulo que se forma entre el plano de rotación del rotor y la cuerda
del perfil aerodinámico del aspa.
Angulo de ataque (attack angle). Es el ángulo que se forma entre la línea que lleva la dirección de la
velocidad relativa del viento y la cuerda del perfil aerodinámico del aspa.
Coeficiente de potencia. Es la relación entre la potencia mecánica extraída del aire y la potencia eólica
disponible.
Cuerda del perfil aerodinámico. Es la línea recta que une el borde de salida del perfil con el punto más
lejano a este en el borde de ataque del aspa.
Relación de velocidad de punta (Tip speed ratio). ́ Es la relación entre la velocidad lineal en la punta ́
del aspa y la velocidad del viento perpendicular al plano de rotación en el centro del rotor.
Sustentacion (lift). Es un concepto aerodinámico que describe la fuerza que sostiene en vuelo a las
aeronaves y que se representa cuando el flujo del aire, o viento para los SCEE, es laminar y se ́ adhiere
tanto a la capa superior como a la inferior del perfil aerodinámico.
Perdida de sustentaci on (stall). ́ Se da cuando el flujo de aire o viento en el perfil aerodinámico deja ́
de ser laminar al aumentar el ángulo de ataque, disminuyendo la potencia del rotor. SCEE de velocidad
constante. Son las maquinas que tienen generadores conectados directamente a la red eléctrica y por
tanto la frecuencia de la red limita su velocidad de rotación. Generan cargas dinámicas robustas
(Johnson et al., 2006).
SCEE de velocidad variable. En los sistemas de velocidad variable, la velocidad de rotación de la ́
turbina cambia continuamente con la velocidad del viento y requiere un conversor electrónico de ́
potencia para convertir la potencia de frecuencia variable a la frecuencia constante de la red eléctrica ́
(Johnson et al., 2006).
3.3.3 La hélice y su performance3
A partir de los tradicionales molinos de viento usados para moler granos y los molinos bombeadores de agua
usados en el campo, se ha producido en las últimas décadas una evolución hacia las modernas turbinas eólicas.
Estas turbinas operan con un elevado rendimiento aerodinámico de su hélice que les permite captar
2 ESTADO DEL ARTE DEL CONTROL DE LA POTENCIA EN GENERADORES EOLICOS ́ Alexander M. Gonzalez L, Empresas
Publicas de Medellín, Cr. 58 # 42-125, of. 08-172, Medellín, Colombia, 21 01 2008.
3 Ricardo A. Bastianon, Energía del Viento y Diseño de Turbinas Eólicas, Tiempo de Cultura Ediciones Buenos Aires, 1992.
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aproximadamente 4 veces más energía del viento. Los progresos en el diseño de las actuales turbinas, se han
debido principalmente a los avances realizados en el cálculo de la forma geométrica de la hélice óptima.
La hélice es, posiblemente, el elemento más importante de una turbina eólica por ser el captador de la
energía del viento. Al ser expuesta a la corriente de aire, experimenta una presión sobre su superficie
generando una cupla que la hace girar. La potencia disponible en el viento es Pd, que está dada por:
Donde:
p = 1,225 Kg/w*, densidad del aire en atmósfera standard a nivel del mar.
V = velocidad del viento en m/seg.
A -= superficie perpendicular a la dirección del viento en m?.
De esta potencia disponible, sólo una parte puede ser captada por la hélice y el grado de eficiencia de ésta,
es medido por el coeficiente de potencia Cp. La potencia captada es entonces
En los próximos capítulos, iremos adentrándonos más en la práctica y aplicando estas formulas, pero por
ahora es importante que vayas conociendo la lógica de la energía eólica, y como la misma se mide.
El coeficiente de potencia Cp permite representar las principales características de las hélices, en
combinación con otro parámetro adimensional
Este último, establece la relación entre la velocidad de la punta de la pala y la velocidad del viento
donde:
R. = radio de la hélice en m.
w= velocidad angular en rad/seg.
donde n = velocidad de rotación de la hélice en rpm.
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combina las variables más importantes del diseño, de modo tal que las performances de cualquier
hélice quedan totalmente definidas al representarse el coeficiente de potencia Cp en función de la
relación de velocidades X. Glauert (Ref. 1), estudió la variación ideal de performances de hélices usadas
en turbinas eólicas, en función de X. En la Fig. 4.1 se ha representado la envolvente de estas
performances ideales y también se han representado los resultados experimentales de varios tipos de
hélices. Se puede observar que el molino multipala y el Savonius alcanzan su máxima eficiencia para un
valor de X aproximadamente igual a 1 mientras que la hélice de 2 palas o la Darrieus alcanzan su máximo
para valores de X = 5. Puede notarse en la figura, que los máximos valores de Cp para turbinas rápidas
con elevado X, son mayores que las de bajo valor de X. De la curva, se observan los siguientes valores:
Los valores de Cp,, representan el rendimiento aerodinámico máximo de la hélice. A su vez, los altos
valores de X, se hacen significativos cuando se debe generar electricidad, ya que por la característica
propia de las máquinas eléctricas, requieren elevada velocidad de giro.
Debajo un gráfico de performance de hélices en Molinos y Turbinas de Viento:
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3.3.4 Clasificación según eje
Tendremos eólicos de eje horizontal y de eje vertical. Debajo un gráfico de cómo sería cada uno respecto a sus
partes, considerando un modelo estándar.
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Traducción de las partes
Rotor Diameter: Diámetro del rotor
Gearbox: Caja Multiplicadora
Generator: Generador
Nacelle: Góndola
Tower: Torre
Rotor Height : Altura de rotor
Las diferencias básicas de ambos respecto a sus partes son la posición del generador y de la caja multiplicadora
(En el suelo en el vertical y detrás del rotor en el horizontal)
3.3.5 De eje horizontal4
Son los más utilizados y de mayor potencia. Básicamente se distinguen tres tipos:
Molinos de viento convencionales
4 Villarubia, M. (2004), Energía Eólica, Ediciones CEAC.
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Son los clásicos molinos usados antiguamente y que en la actualidad se conservan como recuerdo
histórico pero sin prestar servicio. Ver siguiente figura:
Esquema de un clásico molino de viento orientado por una eólica
Sus características principales son:
Longitud de la palas: entre 5 y 15 m, y su anchura del orden de un 20% de su longitud. El
material del que se construían es de madera.
Velocidad de rotación: variable entre 10 y 40 rpm, en función de la longitud de las palas,
correspondiendo los valores menores a las palas de mayor longitud.
La orientación de la rueda de palas para situarla perpendicularmente al viento incidente se llevaba a
cabo mediante un brazo orientable o bien por medio de una pequeña eólica auxiliar que actuaba en
forma de veleta de orientación
3.3.5.1 Aerogeneradores lentos5
Es un generador con un elevado número de palas. Generalmente su sistema de orientación es mediante
un timón-veleta que hace que el plano de la hélice se sitúe siempre perpendicular a la dirección del
viento. Ver la siguiente figura:
5 Villarubia, M. (2004), Energía Eólica, Ediciones CEAC.
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Esquema de un aerogenerador lento (18 palas) adecuado para el accionamiento directo de una bomba
hidráulica para la extracción de agua de pozo
Sus características fundamentales son:
Número de palas elevado, entre 12 y 24.
Diámetro entre 3 y 10 m, limitado por el elevado peso del rotor.
Se adaptan muy bien a vientos de pequeña velocidad. Su arranque se produce a partir de una velocidad
del viento entre 2 y 3 m/s.
Potencias pequeñas debido básicamente a dos razones: usan vientos de baja velocidad (entre 3 y
7 m/s) y tienen un diametro limitado por el peso del rotor debido al elevado número de palas.
Su campo de aplicación fundamentalmente se centraen las instalaciones de extracción y
bombeo de agua.
Presentan un valor elevado del coeficiente de par elevado para pequeños valores de velocidad
específica.
3.3.5.2 Aerogeneradores rápidos 6
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
6 Villarubia, M. (2004), Energía Eólica, Ediciones CEAC.
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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 velocidadeds 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.
Se utilizan para la generación de energía eléctrica, pudiendo ser en sistemas aislados o conectados a la
red. Los generadores utilizados en sistemas aislados generalmente son más pequeños (de 3 a 50 KW)
que los que se conectan a la red eléctrica (de 250 a 3000 KW). Ver siguientes figuras:
3.3.6 Según número de palas7
7 Villarubia, M. (2004), Energía Eólica, Ediciones CEAC.
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Diferentes tipos de rotores de aerogeneradores de eje horizontal
Rotores monopala: Permite una mayor velocidad de rotación, reducción de masas y costes de material,
en las palas, en la caja multiplicadora y en el generador. Tienen el inconveniente de necesitar un
equilibrado muy preciso con un contrapeso de compensación, y existe un mayor riesgo de desequilibrio
aerodinámico y vibraciones con la aparición de cargas de fatiga. También aumenta la generación de
ruidos. Del orden del doble que un rotor tripala.
Rotores bipala: Reduce el coste de material y equipos respecto del rotor tripala, pero presenta también
la desventaja respecto a éste último de un mayor nivel de esfuerzos dinámicos. De forma similar a rotor
monopala se producen esfuerzos mecánicos originados por la variación del perfil de la velocidad del
viento con la altura. Además estos rotores presentan respecto a los tripalas un mayor nivel de vibraciones
y de ruido.
Rotores tripala: presentan como principal ventaja la de un giro más suave y uniforme debido a las
propiedades de su momento de inercia, por lo que se minimiza la inducción de esfuerzos sobre la
estructura. Ademas gira a menor velocidad que los rotores mono y bipala, disminuyéndose los esfuerzos
de la fuerza centrífuga, el nivel de vibraciones y la producción de ruido. En la actualidad el rotor tripala
es la configuración más usada en turbinas eólicas rápidas dedicadas a la generación de electricidad.
Disposición del rotor con relación al viento
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Tipos de disposición de un rotor de un aerogenerador de eje horizontal con relación al viento
Rotor a barlovento: el viento incide primero sobre el palmo del rotor y posteriormente sobre la torre de
sustentación, con lo cual se minimiza el efecto de sombra sobre el rotor, y vibraciones y esfuerzos de
fatiga sobre las palas del rotor. Este tipo de disposición requiere un rotor más rígido y más alejado de la
torre a fin de evitar interferencias entre lo álabes del rotor y la torre debido a la flexión de los mismo
por el esfuerzo de empuje del viento.
Este rotor, a diferencia del rotor a sotavento, necesita un sistema de orientación que mantenga siempre
el plano de giro de rotor orientado perpendicularmente a la dirección del viento.
Rotor a sotavento: No requieren ningún tipo de dispositivo de orientación. Su desventaja radica en los
efectos de sombra de la góndola y de la torre sobre las palas del rotor con la consiguiente pérdida de
potencia y aumento de tensiones de fatiga, además, se pueden producir enrolles en el cable conductor
que transporta la energía producida por el generador situado en la góndola que gira libremente.
Ventaja de los aerogeneradores rápidos frente a los lentos
Son mucho más ligeros y económicos a igualdad de diámetros, por lo cual se contruyen con
grandes diámetros (40 a 90 m) y con rotores situados a elevadas alturas (hasta unos 100 m).
Disponiendose de generadores eólicos de gran potencia (0,5 a 3 MW). Ya que se pueden construir
rotores que barran áreas elevadas y beneficiarse con el aumento de velocidad del viento con la altura.
Resisten mejor los esfuerzos provocados por las ráfagas de viento.
Al tener menor número de palas es más fácil incorporar mecanismos que permitan el giro de las
mismas alrededor de la torre para lograr regular la potencia de generación o proteger el rotor en caso de
vientos muy fuertes.
El empuje axial debido a la acción del viento sobre el rotor parado es menor en las eólicas
rápidas que cuando está girando, no sucediendo esto en las lentas.
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Al girar más rápidas, el tamaño y coste de la caja multiplicadora que acciona el generador
eléctrico se reduce. En los grandes aerogeneradores la velocidad de rotación está en el rango de 15 a 50
rpm siendo la velocidad de la punta de la pala no mayor a 65 – 75 m/s.
Frente a las ventajas citadas, la eólicas rápidas tienen el inconveniente de presentar un par o momento
de arranque mucho menor que las eólicas lentas.
En la siguiente figura se muestra el aspecto general de un gran aerogenerador tripala.
Esquema de un aerogenerador de gran potencia
3.3.7 Generadores eólicos de eje vertical8
Se han realizado numerosos prototipos y experiencias con diferentes eólicas de eje vertical, pero por
razones técnicas y económicas su implantación en la práctica es muy limitada, por lo que la mayoría de
generadores eólicos son de eje horizontal.
El rotor de las eólicas de eje vertical básicamente suele ser de los siguientes tipos:
Rotor de arrastre diferencial, sin o con pantalla (Savonius).
Rotor de variación cíclica de incidencia (Darrieus).
8 Villarubia, M. (2004), Energía Eólica, Ediciones CEAC.
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3.3.7.1 Eólica de rotor de arrastre diferencial: rotor Savonius9
Este rotor se basa en la diferente fuerza aerodinámica que ejerce un flujo de aire sobre objetos de
distinta forma.
Si se concibe un rotor formado por un conjunto de álabes en forma de cazoletas semiesféricas o
semicilíndricas colocadas en la forma que se indica en la siguiente figura, la acción del viento origina
fuerzas distintas en las partes cóncava y convexa de estas cazoletas, lo que da lugar a un par que
provoca el giro del rotor. Debido a que la fuerza que origina el par es la diferencia entre los álabes o
paletas del rotor, este tipo de máquina recibe el nombre de arrastre diferencial.
Acción del viento sobre un rotor de arrastre diferencial
Generador de eje vertical con deflectores que impiden la fuerza de contrapresión del viento sobre
los alabes del rotor
Para eliminar el efecto nocivo de la fuerza F ́ que actúa sobre el álabe o cazoleta inferior (que se mueve
en sentido opuesto a la velocidad del viento), se puede incorporar al rotor una pantalla orientable por
medio de un timón-veleta, junto con un sistema de deflectores adecuado que facilite la canalización del
flujo de aire sobre las palas activas, según se muestra en la siguiente figura. La mejora que experimenta
el equipo cuando se apantalla el rotor es importante.
9 Villarubia, M. (2004), Energía Eólica, Ediciones CEAC.
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Rotor de arrastre diferencial provisto con una pantalla giratoria que impide la acción del viento sobre
los álabes situados en la parte inferior de la figura
Prototipo de un generador eólico de eje vertical con placas deflectoras en el frente del
aerogenerador para direccionar el aire hacia las paletas de empuje de la turbina y evitar la
fuerza de contrapresión sobre el resto de las paletas del generador.
3.3.7.2 Eólica de rotor de variación cíclica de incidencia: rotor Darrieus10
El rotor está formado por un conjunto de álabes, unidos entre sí, que pueden girar alrededor de un eje
vertical y cuya sección recta tiene forma de un perfil aerodinámico. Ver siguiente figura.
Aerogeneradores de eje vertical
10 Villarubia, M. (2004), Energía Eólica, Ediciones CEAC.
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Las palas o álabes están arqueadas con una forma parecida a la que forma una cuerda que gira alrededor
de un eje. Los álabes son biconvexos y la superficie descripta por los mismos puede tener diversas
formas: esférica, parabólica, cilíndrica, etc. El giro del rotor está provocado por la acción aerodinámica
del viento sobre los álabes, que origina fuerzas aerodinámicas que dan lugar al par de rotación.
El par de arranque de un rotor Darrieus es muy pequeño, y en la práctica requiere un arranque auxiliar.
En algunos prototipos se combina un rotor Savonius para facilitar el arranque del primero. La principal
ventaja que representa el rotor Savonius frente al Darrieus es la sencillez de su construcción y mejores
valores para el par de arranque a bajas velocidades. Puede decirse que el rotor Savonius sólo es útil para
pequeñas potencias y aplicaciones muy limitadas como el bombeo de agua de pozos.
3.3.8 Comparación entre generadores de eje horizontal y de eje vertical11
Las principales ventajas de las eólicas de eje horizontal frente a las de eje vertical son:
Los de eje horizontal tienen un coeficiente de potencia (Cp) mayor.
Las eólicas rápidas de eje horizontal presentan una velocidad de giro mayor que las de eje
vertical, por lo que son más adecuadas para el accionamiento de generadores eléctricos que giran a
1000 o 1500 rpm.
La eólicas de eje horizontal permiten barrer mayores superficies que las de eje vertical, por lo
que alcanzan potencias mucho mayores.
Las de eje horizontal aprovechan el efecto beneficioso del aumento de la velocidad del viento
con la altura respecto del suelo. La configuración de las de eje vertical impide alcanzar alturas elevadas
y por lo tanto no pueden aprovechar este efecto.
En cambio, las eólicas de eje vertical presentan las siguientes ventajas frente a las de eje horizontal:
Dada su simetría vertical, no necesitan sistemas de orientación para alinear el eje de la turbina
con la dirección del viento, como ocurre en las de eje horizontal.
Su mantenimiento es más sencillo, dada su poca altura con respecto al suelo.
Cuando la eólica trabaja en una aplicación que requiere velocidad constante, no es necesario
incorporar ningún mecanismo de cambio de paso.
11 Villarubia, M. (2004), Energía Eólica, Ediciones CEAC.
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Las eólicas de eje horizontal son las más usadas en la práctica. Las eólicas de eje vertical se
utilizan básicamente para investigación.
3.3.8.1 Esfuerzo sobre las hélices y torre según el N° de pala
Cómo influye el viento sobre los molinos según la cantidad de palas que tenga? Lo veremos en la teleclase!!
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4 Anexo
4.1 Fotografías adicionales a explicar en la clase
4.1.1 Eólicos de distinta potencia
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4.1.3 Evolución de Parque Eólico Arauco
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5 Bibliografía
1. ESTADO DEL ARTE DEL CONTROL DE LA POTENCIA EN GENERADORES EOLICOS ́ Alexander M. Gonzalez L,
Empresas Publicas de Medellín, Cr. 58 # 42-125, of. 08-172, Medellín, Colombia, 21 01 2008.
2 M.A. Borja. Estado del arte y tendencias de la tecnología eoloelectrica . Instituto de Investigaciones Eléctricas,
́ http://genc.iie.org.mx/genc/eolica/libroo/, 1999.
3. Villarubia, M. (2004), Energía Eólica, Ediciones CEAC.
4. Ricardo A. Bastianon, Energía del Viento y Diseño de Turbinas Eólicas, Tiempo de Cultura Ediciones Buenos
Aires, 1992.