Este documento describe las energías renovables, en particular la energía eólica y los aerogeneradores. Explica que la energía eólica proviene de la energía solar y es influenciada por la fuerza de Coriolis y los vientos globales. También describe cómo se miden las velocidades del viento, la potencia disponible en el viento, y los diferentes tipos de aerogeneradores como los de eje horizontal y vertical.

1. Energías Alternativas para un Desarrollo Sustentable
Energía Eólica y Aerogeneradores
Francesco Massa
Philippe Gentillon
Rodrigo Hormazábal

2. ¿De dónde viene la energía eólica?
• Todas las fuentes de energía renovables (excepto la mareomotriz y la
geotérmica), e incluso la energía de los combustibles fósiles, provienen,
en último término, del sol.
• Alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energía proveniente del sol es
convertida en energía eólica.

3. La fuerza de Coriolis
• La Tierra está girando si la
miramos desde una cámara
situada en el espacio exterior. El
cono se está moviendo recto
hacia el sur.
• La razón por la que el cono no
se mueve en la dirección a la
que está apuntando es que
nosotros, como observadores,
estamos girando con el globo.

4. Vientos Globales
• Teniendo en mente la fuerza de curvatura de la fuerza de Coriolis,
obtenemos los siguientes resultados generales de las direcciones del
viento dominantes:
Los vientos globales
• influenciados principalmente, por las diferencias de
temperatura, así como por las de presión.
• Apenas son influenciados por la superficie de la tierra.
• Se encuentran a una altura de 1.000 metros a partir del nivel
del suelo.

5. Vientos locales
• Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de
los vientos dominantes de un área determinada, las condiciones
climáticas locales pueden influir en las direcciones de viento más
comunes. Los vientos locales siempre se superponen en los
sistemas eólicos a gran escala, esto es, la dirección del viento es
influenciada por la suma de los efectos global y local.

6. Situación mundial de energía eólica

7. Proyectos eólicos en Chile
Canela I
• Endesa-Chile
• 18,5 MW
• Vestas 1,65 Mw
Canela II
• Endesa-Chile
• 60 MW
• Acciona 1,5 Mw
Monte redondo
• GDF Suez-Francia
• 38 MW
• Vestas 2,0 Mw
Totoral
• SN Power-Noruega
• 18,5 MW
• Vestas 1,65 Mw

8. Incentivos en la legislación chilena
• Ley 19.940 (Ley corta I) año 2004
– Derecho a vender energía en mercado spot y potencia a
precio de nudo.
– Asegura conexión (<9 MW) a redes de distribución.
– Exención total de peaje troncal para <9 MW; y exención
parcial de peaje troncal para 9-20 MW.
• Ley 20.018 (Ley corta II) año 2005
– Permite participación en licitaciones de suministro de
distribuidoras.
– Creación de mercado para ERNC, en condiciones de
precios similares a energías convencionales.
– Derecho a suministrar el 5% de la demanda de la
distribuidora a precios competitivos.

9. Incentivos en la legislación chilena
• Ley 20.257:
– Empresas generadoras 5% ERNC 2010-2014.
– De 2015 a 2024, aumento 0,5% anual.
– 10% a partir de 2024 y hasta 2034.
– 0,4 UTM por cada MWh de déficit respecto de su obligación.
– Si dentro de los 3 años incumple, el cargo ascenderá a 0,6 UTM.

10. Algunas conclusiones
• Muchos proyectos aprobados en SEIA no serán ejecutados, debido a
– Bajos factores de planta. Menos del 25%.
– Dificultades para cerrar contratos comerciales.
– Problemas en el financiamiento de proyectos.
• La entrega de beneficios se enfoca a centrales de baja potencia 9 MW.
• No se apoya significativamente la implementación de centrales mayores.
• Todavía faltan incentivos legales para hacer de las ERNC una opción mas
atractiva.
• Se exige aun un muy bajo porcentaje del uso de ERNC.

11. Medición de la velocidad del viento:
• Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmente
usando un anemómetro de cazoletas o rodetes.
• El número de revoluciones por segundo son registradas electrónicamente.
• Normalmente, el anemómetro está provisto de una veleta para detectar la
dirección del viento.
• Otros tipos de anemómetros incluyen ultrasonidos o anemómetros
provistos de láser que detectan el desfase del sonido o la luz coherente
reflejada por las moléculas de aire.

12. Calibración de anemómetros

13. Los anemómetros de calidad son una necesidad
• Los anemómetros económicos no resultan de utilidad en las
mediciones de la velocidad de viento serias.
– pueden ser muy imprecisos y estar pobremente calibrado.
– con errores en la medición de incluso un 10%.

14. Los anemómetros de calidad son una necesidad
Ejemplo:
– Se expone a considerar un viento de 1,13 lo que se traduce en un 33% mas
de energía.
– Si lo que tiene que hacer es recalcular sus mediciones para una altura de
buje del aerogenerador distinta, este error cometido anteriormente podría
llegar a un 75%.

15. Mediciones de la velocidad del viento en la práctica
• La mejor forma de medir la velocidad del
viento es situar un anemómetro en el
extremo superior de un mástil que tenga la
misma altura que la altura de buje esperada
de la turbina que se va a utilizar.
• Para evitar el abrigo del viento
normalmente se utilizan postes
cilíndricos delgados, tensados con vientos,
en los que se colocan los mecanismos de
medición del viento.

16. El registrador de datos
• Los datos de las velocidades y direcciones del viento obtenidos por el
anemómetro son recogidos en un chip electrónico en una pequeña
computadora, el registrador de datos ('data logger'), que puede
funcionar con batería durante un largo período de tiempo.
• Las velocidades del viento son medidas en medias de 10 minutos para
que sea compatible con la mayoría de programas estándar

17. La rosa de los vientos
• La Rosa de los Vientos es esencial para determinar el emplazamiento
de la instalación.
• Sirve para mostrar la información sobre las distribuciones de
velocidades del viento y la frecuencia de variación de las direcciones
del viento.
Características:
• Se divide la rosa en 12 sectores abarcando
30º cada uno.
• El radio de las cuñas amplias proporciona la
frecuencia relativa de cada una de las
direcciones del viento.
• La segunda información entrega la misma
información anterior pero multiplicada por la
media de la velocidad del viento en cada
dirección.
• La cuña roja multiplica esta frecuencia
relativa por el cubo de la velocidad del viento
en cada dirección.

18. NRG Systems

19. Potencia y energía disponible en el viento
El viento es masa en movimiento → Energía cinética
¡Eso es lo que nos interesa del viento! Si somos capaces de extraer esa
energía cinética y convertirla en otra forma de energía útil, hemos
cumplido nuestro objetivo.

20. Potencia y energía disponible en el viento
¿De qué depende la cantidad de energía que podemos extraer del viento?
-Densidad del fluido de trabajo (en este caso, aire).
-Área transversal al viento (por ejemplo, el área que describe el rotor)
-Velocidad del viento
La potencia disponible en el viento (o cantidad de energía cinética que
cruza cierta área por unidad de tiempo) puede calcularse como:
1
P   A   V 3
2

21. Potencia y energía disponible en el viento
Ahora bien, ¿es posible extraer toda esta energía del viento?
¿Qué implicancias tendría esto?
1
Ec   m V 2
2
Eeléctrica 
1
 m V 2 ¿?
2
Sería ideal poder extraer toda la energía cinética del viento,
aprovechándola al máximo. Pero esto significaría que el volumen de aire
de masa m quedaría sin energía cinética, es decir, ¡sin velocidad!

22. Potencia y energía disponible en el viento
En esas condiciones no es posible seguir extrayendo energía de manera
continuada, no es una situación que pueda mantenerse en el tiempo.
V=0 V ≠ 0
Entonces:
- si no cambia la energía cinética, no se extrae energía.
- si la consumimos totalmente, ¡no podemos seguir generando!
Por lo tanto, da la impresión que debe existir un límite, un valor óptimo para
extraer la mayor cantidad de energía , que depende de la relación entre las
velocidades antes y después del molino de viento.

23. Ley de Betz
Ese valor se conoce como el límite de Betz.
Albert Betz se basó en el siguiente diagrama para deducir su famosa ley:
En todo su análisis, Betz realizó tres supuestos fundamentales para
idealizar tanto al molino eólico de prueba como al flujo de aire:
- El molino no tiene góndola y tiene una cantidad infinita de
aspas, que no presentan arrastre alguno.
- El fluido es incompresible (densidad constante en el proceso)
- El flujo es unidireccional y no se sale del volumen de control
establecido.

24. Ley de Betz
Con esto en mente, logró llegar a la siguiente relación entre la potencia y
las velocidades de entrada y salida:
  V  2  V   V 3 
P   A   V1  1   2    2    2  
1 3 
  V1   V1   V1  
       
4
 V2 
 
 
Si se deriva P en función de la fracción  V1  , para un valor dado de V1, se
puede encontrar el valor de la fracción para el cual se maximiza la
potencia extraída. Este valor es 1/3. Sustituyendo esto en la ecuación
para la potencia, se tiene:
1   1  2  1   1 3 
P   A   V1  1          
3
4   3  3  3 
 

25. Ley de Betz
Lo que equivale a:
16 1
P    A   V 3
27 2
Si escribimos el término 16/27 como Cp ( que desde ahora llamaremos
coeficiente de potencia), la ecuación queda:
1
P  CP   A   V 3
2
O también:
Preal
CP 
Pteórico

26. Potencia y energía disponible en el viento
Con ello, puede verse que el valor del límite de Betz , o el Cp ideal, es de
aproximadamente 0,593, es decir, cómo máximo puede extraerse un
59,3% de la energía cinética total del viento.

27. Curvas características
Parece algo bajo este porcentaje, ¿no? Hay por lo menos un 40% de energía
en el viento que no puede ser aprovechada por un único molino.
Además, en la práctica, todos los aerogeneradores operarán por debajo de
este límite, llegando a tener eficiencias cercanas al 50% como máximo.

28. Molinos eólicos
Tipos de Molinos:
División por finalidad:
-Aerogeneradores – Molinos eólicos que generan electricidad.
-Aerobombas – Molinos eólicos que bombean agua.
División por posición del eje:
-Eje Horizontal
-Eje Vertical
División por principio de funcionamiento:
-Sustentación
-Arrastre

29. Aerogeneradores
Los aerogeneradores son molinos eólicos que generan electricidad.
Existen desde aerogeneradores de baja potencia (alrededor de 500 [W],
incluso menos), hasta mega-aerogeneradores comerciales de cerca de 6
[MW].
Bergey XL-1, 1 [KW] Enercon E-112, ~ 6 [MW]

30. Aerogeneradores
Los aerogeneradores son siempre parte de sistemas más complejos, por
ejemplo, un sistema doméstico esquematizado, que no alimenta a la
red:
Banco de
Controlador Baterías de
de Carga Ciclo
Profundo
Disipador de Inversor
seguridad
Consumo

31. Aerobombas
Las aerobombas están diseñadas para elevar agua.
Es común encontrarlas en zonas rurales: el agua elevada se suele
utilizar para regadío, para consumo humano o para el ganado.
Proyecto GEA “Aerobomba Chincolco”, [2007- 2008]

32. Aerobombas
Por lo general, no es necesario bombear agua a grandes velocidades, por
lo que las aerobombas suelen ser de bajas rpm pero alto torque.
Es por esta razón que una de las aerobombas más comunes, la multipala
americana, tiene – precisamente –una gran cantidad de palas:
Aerodinámicamente no son muy eficientes a altas velocidades (la gran
cantidad de palas generan demasiado arrastre), pero , al mismo tiempo,
tener tantas palas le permiten tener un alto torque en comparación a
otros molinos.

33. Eje horizontal
Los aerogeneradores y aerobombas más comunes son los de eje
horizontal. Esto se debe a que, en general, son más eficientes que sus
contrapartes de eje vertical:

34. Eje horizontal
Algunos ejemplos de aerogeneradores de eje horizontal:

35. Eje Vertical - Ventajas
Son menos comunes ya que, en general, son menos eficientes que sus
contrapartes de eje horizontal. Sin embargo, tienen una serie de ventajas
intrínsecas:
•Se puede colocar el generador
eléctrico y los sistemas de reducción
mecánicos cerca del suelo. Mayor
facilidad de mantenimiento.
•No necesitan de un sistema de
orientación al viento.

36. Eje Vertical - Desventajas
Por otro lado, los aerogeneradores de eje vertical también presentan
desventajas, además de su ya mencionada menor eficiencia comparativa:
•En diseños como el de la foto, parte del
rotor se encuentra cerca del suelo y ,
por ello, enfrentado con vientos de alta
turbulencia.
•Algunos sistemas de eje vertical
necesitan un motor de partida para
comenzar a girar.
•Pueden necesitar “vientos” o cables de
sujeción – los cuales resultan poco
prácticos en zonas pobladas o de uso
agrícola.
•Realizar reparaciones mayores puede
implicar desmontar la estructura
completamente.

37. Eje Vertical: Tipo Darrieus
Por tipo Darrieus se entiende a aquellos aerogeneradores de eje vertical
que funcionan principalmente por efecto de la sustentación.
Diseño de las palas requiere de un detallado estudio aerodinámico. Un
esquema sencillo:

38. Eje Vertical: Tipo Darrieus
Algunos ejemplos:

39. Eje Vertical: Tipo Savonius
Por otro lado, están los rotores de tipo Savonius, que funcionan por
arrastre, lo cual los hace irremediablemente menos eficientes que un
aerogenerador Darrieus. El diseño clásico de Sigurd Savonius, de ca. 1922:
Aunque son menos eficientes,
presentan muchas características
atractivas:
•Son de tecnología y construcción
comparativamente simple.
•No utilizan materiales exóticos:
incluso pueden ser construidos con
chatarra.
•Funcionan a revoluciones
relativamente bajas y tienen alto
torque: funcionan bien como
aerobombas.
•Pueden aprovechar los vientos
turbulentos que se generan a baja
altura mejor que los que funcionan
por sustentación.

40. Eje Vertical: Tipo Savonius
Gracias a las características antes mencionadas, las variaciones del
modelo Savonius original proliferan:

41. ¿Eje vertical u horizontal?¿Arrastre o sustentación?
Entonces, ante tal cantidad de diseños, ¿qué tipo de molino eólico nos
conviene? ¿cuál es el mejor? Cada situación es diferente y debe ser
analizada por separado. En términos generales:
•Para sistemas comerciales se prefieren aerogeneradores de eje
horizontal, que funcionan por sustentación . Otorgan una mayor
eficiencia y pueden ser instalados a gran altura.
•Para sistemas domésticos se suelen utilizar aerogeneradores de eje
horizontal, pero es cada vez más común ver modelos de eje vertical.

42. ¿Eje vertical u horizontal?¿Arrastre o sustentación?
•Para aerobombeo se utiliza tradicionalmente el molino multipala,
pero en muchos países subdesarrollados se utilizan rotores Savonius,
debido a que son más accesibles.
•En zonas extremas y para aplicaciones con condiciones de trabajo
adversas se suelen utilizar aerogeneradores de tipo Savonius, gracias a
su robustez y resistencia.

43. Aerogenerador Savonius Helicoidal

44. Objetivos del proyecto
• Diseñar, construir e instalar un aerogenerador de tipo Savonius, con un giro
helicoidal en sus palas y la torre de medición eólica.
• Realizar mediciones y recopilar datos suficientes para caracterizar la turbina
completamente, evaluando la factibilidad de utilizar este diseño para aplicaciones
de aerobombeo y aerogeneración a baja escala y a bajo costo.
• Sentar una base para futuros proyectos en torno a aerogeneradores de eje
vertical.

45. Desventajas y Ventajas del Savonius
Desventajas del tipo Savonius:
• Dependencia del recurso eólico.
• El Savonius Tradicional tiene una baja eficiencia en el aprovechamiento
del recurso eólico, con coeficientes de potencia cercanos al 15%.

46. Desventajas y Ventajas del Savonius
Ventajas del tipo Savonius:
•Eje vertical – No requieren de un sistema de
orientación al viento.
•Acepta mucho mejor los vientos turbulentos que las
turbinas que funcionan por sustentación.
•Se frenan automáticamente al llegar a cierta
velocidad límite (no se requiere sistema de freno).
•Costo comparativamente bajo.
•Requieren bajo mantenimiento.

47. ¿Por qué el giro helicoidal?
• Torque de eje más uniforme a lo largo del giro.
• Minimiza las vibraciones.
• Torque negativo (contrario a la dirección de rotación) sea eliminado.
• Mejora la durabilidad del aerogenerador

48. Fase 1
• Diseño, estudio, pruebas en el túnel de viento.

49. Fase 1
¿Qué se quiso determinar?

50. Fase 2
• Construcción del prototipo

51. Fase 3
• Instalación del prototipo en Quebrada Verde;
instalación de la torre del anemómetro.

52. Fase 4
• Desarrollo del sistema eléctrico y de control
electrónico necesarios para la recopilación de
datos y almacenamiento de energía.

53. Fase 5
• Medición y análisis de los datos.
Datos obtenidos de las pruebas para generar información necesaria para
caracterizar a este aerogenerador.
Además servirán de referencia para investigaciones y proyectos futuros.

54. Fase 6
• Analizar la factibilidad de instalar
aerogeneradores y/o aerobombas con el sistema
Savonius Helicoidal

55. Aerogeneradores de Eje Horizontal
• Factores de Diseño

56. Partes de un Aerogenerador de eje horizontal

57. Factores de Diseño
• Orientación de la Torre
• Sistema de Control
• Cantidad de Palas

58. Orientación de la Torre
• Barlovento: Rotor delante de la torre
– Al pasar las palas por las cercanías de la torre la potencia cae
sensiblemente
– Es necesario un rotor más rígido.
– Se requiere de un sistema de orientación.

59. Orientación de la Torre
• Sotavento: Rotor detrás de la torre
– No requiere de dispositivos de reorientación.
– Materiales más flexibles para las palas.
– Fluctuación de la potencia del viento, debido a la sombra de la
torre.

60. Orientación de la Torre
• Sistemas Pasivos de Orientación
– Aleta estabilizadora:
• Para aerogeneradores lentos y de baja potencia
• Inestable con vientos arremolinados
• Implementados en turbinas barlovento

61. Orientación de la Torre
• Sistemas Pasivos de Orientación
– Hélice auxiliar:
• Sistema sinfin corona se activa cuando el rotor no
está orientado en la dirección del viento.
• Mayor suavidad de funcionamiento que la aleta
estabilizadora.
• Introducción elementos dentados al sistema.

62. Orientación de la Torre
• Sistemas Activos de Orientación
– Dispositivos de Servomotor:

63. Sistema de Control
• Regulación por frenos aerodinámicos
• Regulación de paso con servomotores
• Regulación control electrónico de potencia
• Regulación por orientación del rotor

64. Regulación por frenos aerodinámicos
• Regulación del ángulo de inclinación de las palas
• Aerogeneradores de baja potencia

65. Regulación de paso con servomotores
• Aerogeneradores de Alta Potencia
• Permite el control de la potencia activa bajo todas las condiciones de
viento
• Óptima perfomance aerodinámica del rotor
• Arranque a bajas velocidades de viento ajustando el ángulo al valor
adecuado
• Disminución y uniformidad de las cargas sobre las palas para
elevadas velocidades de viento
• En caso de emergencia palas quedan en posición de bandera.
• Ingeniería compleja y muy costosa

66. Regulación por orientación del rotor:
Conexión que articula el eje del rotor con el eje de transmisión o
poniendo una conexión excéntrica que haga que la fuerza de empuje
del viento produzca un par que desoriente el plano del rotor.

67. Regulación por control electrónico de potencia
• Aerogeneradores de alta potencia
• Se puede controla mediante resistencias rotóricas controladas por
un micro controlador y activadas mediantes interruptores estáticos
• Bajo rendimiento en la máquina.

68. Regulación por control electrónico de potencia
• Método de Kramer o accionamiento en cascada subsincrónica
• Rendimiento notablemente superior
• Reemplazar la resistencia adicional por un convertidor puente
controlado, operando en el modo inversor, es decir, con ángulos
de disparo en los tiristores entre 90◦ y 180◦.

69. Cantidad de Palas
• Número Impar de palas:
• Monopala:
– Menor costo
– Menor inercia
– Velocidad de giro mas rápida
– Altos niveles de ruido
– Alto impacto visual
– Desequilibrio aerodinámico que puede provocar
efectos serios de fatiga

70. Cantidad de Palas
• Bipala
– Menor costo
– Altos niveles de ruidos
– Rotor Basculante.

71. Cantidad de Palas
• Tripala
– Sistema más usado.
– Más estable
– Más confiable
– Más costoso que mono y
bipala

72. Energía Eólica y Aerogeneradores
• Visite
• www.gea.usm.cl / Página Web Generación de Energías Alternativas GEA-UTFSM
• www.piea.usm.cl / Página Web Programa de Iniciativas Estudiantiles Académicas PIE-A
• www.savoniushelicoidal.cl /Página Web Proyecto Savonius Helicoidal
• http://www.parquequebradaverde.cl/ / Página Web Parque Quebrada Verde
• Contacto:
• gea@usm.cl
Rodrigo Hormázabal Francesco Massa Philippe Gentillon
rohormaz@gmail.com francesco.massa@gmail.com pgentillon@gmail.com