Energias Alternas

Energía Eólica. Diseño de pequeños aerogeneradores
Daniel Martínez González

3. Diseño de un pequeño aerogenerador
Uno de los principales papeles del ingeniero ha sido resolver o proponer soluciones a problemas de la manera más eficaz posible, siempre a partir de su conocimiento. Antes de diseñar un pequeño aerogenerador debe saberse la electricidad que se necesita y la energía eólicadisponible en el lugar. Si se determina con precisión tanto una como la otra, el diseñador tendrá un aerogenerador confiable para satisfacer las necesidades del usuario. Los aerogeneradores se constituyen de los siguientes componentes básicos: un rotor (que gira con el viento aprovechando su energía cinética), un generador (para obtener la electricidad), una transmisión (que transmite la energía mecánicadel rotor al generador), un mecanismo de orientación (para mantener el rotor orientado a la dirección del viento), una torre (para sostener el rotor y aumentar la altura para mejorar la captación de energía) y un sistema de control de velocidad (para mantener el sistema en niveles seguros de operación). La figura 3.1 ilustra dichos componentes de aerogeneradores pequeños y, posteriormente, sedescribe el procedimiento para el diseño y/o la selección de ellos.

Figura 3.1. Componentes de un pequeño aerogenerador. Fuente: Martínez, 1991.

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Capítulo 3: Diseño de un aerogenerador

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3.1 Diseño del rotor
El primer paso en este proceso es conocer la cantidad de energía o potencia que debe transmitir elrotor eólico a la carga eléctrica. Considerando las pérdidas de energía a través de los componentes del sistema puede determinarse la potencia en el eje del rotor de la siguiente manera

(3.1)

Donde Pu – Potencia útil en el eje del rotor eólico (W). Pe – Potencia eléctrica requerida a la salida del generador (W). ηs – Rendimiento del sistema.

Generalmente, el rendimiento del sistema seconforma por el rendimiento de la transmisión (ηt) y del generador eléctrico (ηg), es decir

(3.2)

Ahora bien, la ecuación 2.9 puede plantearse así

(3.3) Donde Vd – Velocidad de diseño (m/s). Esta es la velocidad de viento para la cual se diseñará el rotor, cuyo cálculo se explica en el siguiente apartado. Capítulo 3: Diseño de un aerogenerador

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Por otra parte, sabiendo que el rotor es el componente que captará la energía del viento y la transformará en mecánica a través del eje, corresponde entonces conocer su área de captación, es decir

(3.4)

Determinar la velocidad de diseño y el coeficiente de potencia constituye el siguiente paso en el proceso.

3.1.1

Velocidad de diseño

Ladistribución de velocidades de viento, obtenida ya sea mediante mediciones horarias con instrumentos o aplicando distribuciones teóricas (Rayleigh o Weibull) con la velocidad promedio, permite obtener la curva de densidad de potencia con

(3.5)

Siguiendo con el ejemplo de Chapala del capítulo precedente, la curva de densidad de potencia obtenida se aprecia en la figura 3.2 (a partir de ladistribución Rayleigh o Weibull con K=2, y asumiendo ρ=1.225kg/m3).
14% 50

Frecuencia de ocurrencia (%)

12% 10% 8% 6% 4% 2% Vd 0% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

35 30 25 20 15 10 5 0

Velocidad de viento (m/s)

Figura 3.2. Distribución anual de velocidades y densidad de potencia en Chapala (con Rayleigh).

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Capítulo 3: Diseño de un aerogenerador

40Densidad de potencia (W/m2)

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Se observa claramente la relevancia de determinar la curva de densidad de potencia, ya que mientras la distribución de velocidades muestra una mayor probabilidad de ocurrencia alrededor de 6m/s (en este ejemplo), la mayor densidad de potencia se obtiene con velocidades a unos...