Eolica1

Boletín Energético No 13

Energía Eolica
Teoría y Características de Instalaciones
Ing. Ricardo Iannini - Ing Jorge Gonzalez - Ing. Sabino Mastrángelo

Capítulo 1

Una manifestación de las permanentes Los vientos se definen por su dirección,
diferencias de presiones atmosféricas, sentido e intensidad (velocidad) por lo
que existen en nuestro planeta, es el que se lo considera físicamente como un
movimiento del aire que no puede vector, que puede expresarse con esas
permanecer en reposo y se desplaza tres componentes, aunque a veces
prácticamente sin cesar. Las corrientes puede existir una componente vertical
constituyen los vientos. por lo que el vector es tridimensional.
Sabino Mastrángelo et al 3


Las diferencias térmicas, generadas por ción y dar lugar a la formación de
calentamiento no uniforme en el suelo, nieblas, nubes y precipitaciones.
originan diferencias de presión entre En gran escala, se ha encontrado una
puntos de la superficie terrestre, la que a relación entre las isobaras, líneas que
su vez está en rotación sobre un eje. unen puntos de igual presión, y el viento
Las diferencias de presión provocan predominante. Esta relación está ligada
aceleraciones del movimiento del aire, a la fuerza horizontal de presión y a la
inicialmente desde la zona de mayor fuerza desviadora de Coriolis, que es de
presión a la de menor, siendo el viento importancia fundamental para obtener
una consecuencia de estas aceleracio- el conocimiento del campo de vientos en
nes. los niveles de altura, sobre todo en
Al analizar los vientos, vemos que éstos latitudes templadas y frías.
se insertan en un complejo sistema Otros elementos a tener en cuenta son
sometido a un sinnúmero de aceleracio- las convecciones nubosas, el transporte
nes, algunas inerciales, que nunca de la cantidad de movimiento por el
llegarían a determinar un estado de propio viento y la fricción, tanto superfi-
equilibrio final. cial como turbulenta en los diferentes
El viento, a su vez, transporta vapor de niveles de la atmósfera.
agua, pudiendo favorecer su concentra-

La convección es definida como el mismas. El aire más caliente es menos
transporte de calor de un lugar a otro por denso por su expansión, mientras que las
medio del traslado de partículas de aire. fuerzas gravitacionales actúan de forma
Cuando dos superficies son calentadas tal que el aire frío tiende a descender, el
en diferente forma, las mismas transmi- aire caliente a ascender y se produce
ten, a su vez en forma diferente, ese calor entre ambos una circulación de la forma
al aire que se encuentra sobre las que se indica en la figura siguiente.

Aire Caliente y Liviano

Aire Frío y Denso

Superficie Fría Superficie Caliente

4 Sabino Mastrángelo et al


Esta circulación genera un viento en interviene la formación de nubes se
superficie que va de la región fría a la denomina convección propiamente
región caliente e inversamente en niveles dicha, denominándose advección al
altos, determinando mayor presión en la transporte horizontal de calor.
parte fría y menor presión en el sector Cuando el tamaño de las regiones
caliente. sometidas a calentamiento originan
Este proceso suele denominarse convec- diferencias de presión, estos valores de
ción seca por ser una forma de transpor- presión se pueden identificar por medio
te de calor en la que no interviene la de isobaras, las que en una carta
humedad. sinóptica señalan la existencia de zonas
Puede haber grandes diferencias de de alta presión (anticiclones) y de baja
tamaño o de escalas entre las regiones presión (ciclones).
calentadas y enfriadas. El tamaño de la El viento, en principio, soplará en
circulación puede alcanzar algunas dirección perpendicular a las isobaras
decenas de kilómetros, en fenómenos desde la alta hacia la baja presión y lo
tales como la brisa de mar, brisa de hará con mayor intensidad cuanto
glaciares o brisas de valle-montaña. mayor sea la diferencias de presiones.
Cuando la convección se efectúa en Es decir que el viento será tanto más
presencia de condensación de hume- fuerte cuanto menor sea la separación
dad, el movimiento es fuertemente entre las isobaras.
amplificado gracias al calentamiento
adicional producido por la liberación de
calor latente. Esto favorece la conver-
gencia del viento hacia la región donde
se produce el movimiento de ascenso. Si Nubes Brisa de Mar
el viento superficial es portador de
humedad este sistema tiende a autoali-
mentarse.
Tierra Firme Mar
En meteorología, a este proceso donde

Una vez puesto en movimiento el aire, Esta fuerza planteada teóricamente por
como nos encontramos sobre una esfera Coriolis y descubierta experimentalmen-
rotante (la Tierra), se produce un desvío te por Buys-Ballot tiende a crear una
inercial del viento hacia la izquierda en concentración de aire hacia la izquierda
el Hemisferio Sur y hacia la derecha en el del movimiento (Hemisferio Sur) y una
Hemisferio Norte. depresión hacia la derecha.



Por esta razón, el viento tiende a ser velocidad angular de rotación de la
paralelo a las isobaras. En ese caso Tierra, es máxima en los polos y mínima
teórico el viento es denominado geostró- en el ecuador.
fico y su intensidad es inversamente Resumiendo, el viento sopla desde las
proporcional a la distancia entre las zonas de alta presión hacia las zonas de
isobaras. Esta condición no se cumple baja presión, en las latitudes medias y
en los niveles superficiales de la atmósfe- altas esa dirección se modifica por la
ra donde, por efecto de la fricción, se rotación de la Tierra, el viento toma una
produce, a su vez, una desviación del dirección paralela a las isobaras, en
viento hacia las bajas presiones, tanto sentido contrario a las agujas del reloj,
mayor cuanto mayor sea la rugosidad alrededor de las áreas ciclónicas y en el
del terreno y tanto menor sea la latitud ya mismo sentido alrededor de las áreas
que en regiones tropicales hay un anticiclónicas en el hemisferio norte,
debilitamiento de la fuerza de Coriolis. mientras que en el hemisferio sur los
Como esta fuerza es proporcional a la sentidos son inversos a aquéllos.

Fricción Superficial
El viento, por encima de los 100 metros, cuando hay un calentamiento superficial
puede considerarse paralelo a las se determina una turbulencia y las
isobaras, pero, en los niveles más bajos porciones de aire descendentes provo-
actúa la fricción superficial debida a la can un aumento superficial del viento,
rugosidad del suelo. claramente visible en los mediodías
Dicha fricción causa dos efectos en el soleados. Durante la noche, el enfria-
viento; por un lado una reducción en su miento superficial produce la acumula-
magnitud y por el otro un desvío hacia ción de aire frío cerca del suelo y si el
las bajas presiones. mismo no es muy plano la fricción tiende
a frenar el movimiento.
Dicho desvío es proporcional a la
rugosidad y es de 20º en el mar. De este Un caso similar pero de otra escala es la
modo aparece una divergencia del generación de ráfagas de viento
viento de los anticiclones y una conver- asociadas a nubes cúmulonimbus.
gencia hacia las bajas presiones. El Dentro de las mismas, existen sucesiva-
grado de desvío varía con la altura mente corrientes ascendentes y descen-
estableciéndose un perfil vertical del dentes muy fuertes. Las corrientes
viento en las capas bajas de la atmósfe- descendentes son más frías y traen
ra. consigo el viento horizontal que hay en
niveles altos. Cuando estas porciones de
Generalmente, la intensidad del viento aire chocan contra el suelo provocan
aumenta con la altura. De forma que violentas ráfagas que se deben, además


del efecto de choque, a la diferencia en la región pampeana tienen mayor
entre la velocidad del viento en niveles intensidad las que provienen de direccio-
altos y el viento en el suelo, que general- nes comprendidas entre el Oeste y el SO.
mente es más débil. Estas ráfagas También se las suele denominar
pueden tener diferentes direcciones pero Pampero aunque son de corta duración.

En Argentina, los vientos de denomina- país, existan vientos predominantes
ción propia son: el ya mencionado como por ejemplo los vientos del Oeste
Pampero, el viento Zonda y la en la Patagonia y del sector Este en el
Sudestada, el Chorrillero y el viento Litoral y Mesopotamia.
Blanco que se producen en regiones En la Pampa Húmeda el viento del Norte,
montañosas del noroeste. Se presenta además de provocar un aumento de la
también la Brisa de Mar y Tierra en el temperatura, si es de regular a fuerte (50
litoral Atlántico, de forma tal que la brisa km/h) puede producir un transporte y
diurna es del mar y la nocturna es de la redistribución de la humedad que
tierra; brisa de Valle y Montaña en las favorece la formación de tormentas. El
regiones serranas, de valle durante el día viento del Este es generalmente portador
y de montaña durante la noche y brisa de la humedad del Atlántico. El viento
Glaciar en regiones patagónicas y Sur, sostenido, indica la llegada de una
antárticas, corriente abajo del glaciar. masa polar y el viento del Oeste determi-
La circulación general de la atmósfera na un descenso de la humedad.
determina que, en algunas regiones del

Proceso Genético
del viento Zonda

Nubosidad -10ºC Cielo Claro
Aire Descendente
Cálido y Seco
Nevadas
Aire Ascendente
Frío y Húmedo 22ºC
Vientos del Oeste LLuvias
15ºC
0ºC San Juan
630 msnm
Océano Pacífico
Barlovento Sotavento



La dirección del viento se asigna de
acuerdo con el lado de donde sopla. Es
de dirección Oeste si la corriente de aire
viene del Oeste.
Las observaciones demuestran que la
dirección del viento varía continuamente
alrededor de una dirección media.
Los registros diarios permiten establecer
para cada lugar un diagrama polar que
permite conocer los tiempos relativos
expresados en tanto por ciento, durante
los cuales el viento ha soplado en una
dirección determinada.
Pueden establecerse esta clase de anemómetros de presión (de bola y
diagramas para lapsos variables. La cuadrante, de tubo de Pitot, Best
longitud de los vectores es proporcional Romani, de ráfagas ERA, anemoclinó-
a la velocidad media del viento en la metro IMFL), anemómetros de sección
dirección considerada. Así se puede variable (ventímetros, rotámetros).
conocer la variación media del viento Los anemómetros de rotación de
tanto durante un año como a lo largo del cucharas de Papillon-Robinson son los
día. que se encuentran prácticamente en
La velocidad del viento se determina con todas las estaciones meteorológicas.
los anemómetros. Existen varios tipos, de Estos equipos son insensibles a velocida-
rotación (cucharas de Papillon y des menores a 1m/s.
Robinson, de aletas oblicuas de Jules El de Richard es muy sensible pero sólo
Richard, de canalones de Ailleret), se utiliza en laboratorios.

Registro Anemométrico



Los anemómetros Best Romani tienen miento de un equipo, se emplean
apreciaciones de tiempo inferiores a la anemómetros acoplados a aparatos
décima de segundo permitiendo registradores con el objeto de tener la
registros de velocidad casi instantáneos. variación de la intensidad del viento en
Para obtener las magnitudes fundamen- función del tiempo.
tales necesarias para el dimensiona-

Se ha establecido una escala de velocidades de vientos llamada Beaufort que las
clasifica en 17 categorías.

Nudos m/s km/h Presión s/superficie
Grados Plana en daN/m2
Beaufort Descripción
de a de a de a de a
0 < 1 0 0.2 < 1 Calma
1 1 3 0.3 1.5 1.0 3.0 Ventolina 0.0 0.3
2 4 6 2.1 3.1 7.4 11.1 Brisa Suave 0.6 1.2
3 7 10 3.6 5.1 13.0 18.5 Brisa Leve 2 3
4 11 16 5.7 8.2 20.4 29.7 Brisa Moderada 4 9
5 17 21 8.8 10.8 31.5 38.9 Viento Refrescante 10 15
6 22 27 11.3 13.9 40.8 50.0 Viento Fuerte 17 25
7 28 33 14.4 17.0 51.9 61.2 Viento muy Fuerte 27 38
8 34 40 17.5 20.6 63.0 74.1 Temporal 40 55
9 41 47 21.1 24.2 76.0 87.1 Temporal Fuerte 58 76
10 48 55 24.7 28.3 89.0 101.9 Temporal muy Fuerte 79 104
11 56 63 28.8 32.4 103.8 116.8 Tempestad 108 137
12 64 71 32.9 36.5 118.6 131.6 Huracán 141 174
13 72 80 37.1 41.2 133.4 148.3 179 220
14 81 89 41.7 45.8 150.1 164.9 226 273
15 90 99 46.3 51.0 166.8 183.5 279 338
16 100 108 51.5 55.6 185.3 200.1 344 402
17 109 118 56.1 60.7 202.0 218.7 Ciclón 409 480



Las últimas columnas indican la presión cerca de los 45º de latitud sur, (de 150 a
media en daN/m2 sobre superficies 200 km/h)
planas dispuestas perpendicularmente La mayor velocidad registrada fue 416
al viento, calculado como p= 0.13 V2, km/h instantáneo, 338 km/h como
siendo V en m/s promedio de 5 min, en New Hampshire
Las mayores velocidades de vientos se EUA 12/4/34.
encuentran en los ciclones tropicales y

Velocidad

media anual en

m/s a 10 m

sobre el nivel

de superficie

Atlas del

Potencial Eólico

del Sur

Argentino



Grados Beaufort Criterios de Apreciación en el Mar

0 Mar en calma
1 Se forman rizos con aspecto de escamas pero sin espuma en las crestas
Rizos cortos, pero pronunciados. Crestas con aspectos cristalinos que no
2
se rompen
Grandes Rizos. Las crestas comienzan a romper. Espuma de aspecto
3 cristalino
4 Las olas cortas se alargan
Se forman crestas en las ondas de aguas acumuladas e estanques y
5 lagunas
Comienzan a formarse grandes olas. Las crestas de espuma blanca se
6 forman por todas partes. Brumazones
7 Se agita y la espuma de blanca de las olas comienza a formar regueros
Olas altas de mayor longitud. Las crestas comienzan a pulverizarse en
8 brumas. La espuma se escapa
Las olas muy altas comienzan a romperse. Las brumas reducen la
9 visibilidad
Se rompen violentamente las olas muy altas. Masas de espuma.
10 Superficie del agua blanca. Visibilidad pobre

Grados Beaufort Criterios de Apreciación en Tierra

0 El humo se eleva verticalmente
1 El viento inclina el humo pero no hace girar las veletas
2 Las hojas se mueven. El viento se siente en el rostro, giran las veletas
Las hojas y ramas pequeñas se mueven continuamente. Las banderas de
3 tejido suave se extienden
4 El viento levanta el polvo y papeles sueltos, las ramas se agitan
5 Los árboles pequeños frondosos empiezan a balancearse
Se mueven ramas grandes. Vibran los hilos eléctricos, se oye el silbido.
6 Resulta difícil utilizar el paraguas
7 Los árboles se agitan. Es molesto caminar contra el viento
8 Se rompen las ramas pequeñas. Se hace difícil caminar
Las ramas medianas se quiebran. Pequeños daños en las estructuras
9
edilicias (se arrancan sombreretes de chimeneas, tejas de los techos, etc.)
10 Los árboles son arrancados de cuajo y daños estructurales considerables
> 11 Destrozos extensos. Techos arrancados, etc.



Circulación Atmosférica
La circulación atmosférica tiene lugar en En cada hemisferio se pueden distinguir
la troposfera, zona inferior de la atmós- tres núcleos más o menos individualiza-
fera que contiene 4/5 de la masa de ésta dos: tropical, templado y polar.
y cuyo espesor alcanza 7 km en el polo y Los núcleos tropicales, a ambas partes
17 km en el ecuador. Tiene su origen en del ecuador, están separados por la
dos causas fundamentales. zona de las calmas y bajas presiones
La radiación solar más intensa en los
solar, ecuatoriales. Los núcleos templados
polos, es el factor más importante. están separados de los anteriores por
La rotación de la tierra que produce zonas de altas presiones subtropicales y
desvíos de los vientos hacia la derecha de los núcleos polares por ejes de
en el hemisferio norte y hacia la izquier- depresión situados hacia los paralelos
da en el hemisferio sur y por efecto de latitud 60º.
centrífugo una sobre-elevación de la El esquema presentado no es perfecto.
altura de la atmósfera en el ecuador. El desigual calentamiento de los
La circulación general de la atmósfera océanos y continentes, la existencia del
como término medio, puede represen- relieve y las variaciones de las estaciones
tarse esquemáticamente al nivel de la implican deformaciones y una partición
superficie terrestre como se señala en la de las zonas de altas y bajas presiones.
figura.



Variaciones Cíclicas de la Velocidad del Viento
Debidas a la Estación

Como consecuencia del desplazamiento diferentes a las de julio.
en la superficie de la tierra de las zonas Como la posición de las áreas ciclónicas
de alta presión (anticiclones) y de zonas y anticiclónicas dependen de la posición
de baja presión, la velocidad y dirección del sol respecto del ecuador, se observa
del viento varía generalmente a lo largo una variación más o menos cíclica del
del año. Las isostaquias de enero son viento en intensidad y en dirección.

Coeficientes mensuales de velocidad en la ciudad de Buenos Aires y en
Comodoro Rivadavia (expresado en tanto por unidad en relación a la media)
Estación Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Vel Media
km/h

Aeroparque 1.12 0.99 0.93 0.94 0.95 0.97 0.90 0.97 1.00 1.03 1.08 1.10 16.6
C. Rivadavia 1.17 1.03 0.98 1.08 0.87 0.92 0.91 1.00 0.97 1.00 1.07 1.06 24.7

Coeficientes Velocidades Medias Mensuales
Aeroparque - Comodoro Rivadavia

Como ya se expresó, la producción de les relativos a la energía es mayor que
energía es proporcional al cubo de la los coeficientes mensuales de velocidad.
velocidad del viento.
(1.15)3 = 1.52 y (0.85)3 = 0.61
La variación de los coeficientes mensua-


Coeficientes Velocidades Medias Mensuales
Aeroparque - Comodoro Rivadavia

De aquí se deduce, que la energía para un mes de 0.85.
susceptible de ser producida en un mes Resulta interesante destacar otras
con coeficiente 1.15 es como mínimo el características de las lecturas de estas
doble o el triple que la correspondiente Estaciones Meteorológicas.

Frecuencias por Dirección Frecuencias por Dirección
Aeroparque Comodoro Rivadavia



Velocidades por Dirección Velocidades por Dirección
Aeroparque Comodoro Rivadavia

Variaciones Diarias
Los vientos sufren oscilaciones diarias En las montañas se originan brisas, a
debido a efectos de convección. Siendo partir de las 10:00 hs el viento va del
el calor específico de la tierra inferior al valle a la montaña por que los montes se
del agua, aquélla se calienta más calientan antes. Por la tarde la corriente
rápidamente que el mar bajo el efecto se invierte.
de la radiación solar. Por ello, cuando el Cabe aclarar, que la presencia de
tiempo es bueno, se originan movimien- vientos dominantes pueden modificar
tos de convección sobre la parte conti- sensiblemente las conclusiones indica-
nental. Durante el día se produce una das sobre las brisas. Aquí el viento
corriente de aire en las proximidades del dominante se compone con las corrien-
suelo, en el sentido del mar hacia la tes de convección para dar como
tierra. Por la tarde el fenómeno se resultante el viento real. Como las brisas
invierte al enfriarse la tierra con más dependen de los fenómenos térmicos, se
rapidez que el mar. Estos fenómenos se deduce que también se producen
observan hasta a 50 km de la costa y variaciones diarias más o menos cíclicas
alrededor de los grandes lagos. en la intensidad y dirección del viento.

Variaciones de la Velocidad y Dirección del Viento en Intervalos Cortos
Los registros anemométricos muestran dirección. En intervalos de tiempo muy
que la velocidad instantánea del viento cortos, como un segundo, la velocidad
varía continuamente en magnitud y puede duplicarse y la dirección variar


considerablemente. son de sentido opuesto, la velocidad es
El movimiento del aire puede conside- mínima.
rarse como la superposición de un viento La relación V/Vm varía habitualmente
de velocidad uniforme y de turbulencias. enrte 0.3 y 0.4.
Con anemómetros de precisión se han En la hipótesis de que V sea constante
determinado variaciones en la velocidad podemos escribir
del viento de 23 m/s a 37 m/s en un Vmax = Vm + V
cuarto de segundo, acompañada de
una variación de dirección de 20º Vmín = Vm - V
(14m/s con 20º en 0.25s)
De aquí se deduce
Un remolino simple cuya velocidad Vm = (Vmax + Vmin) / 2
tangencial es V, arrastrado por la V = (Vmax Vmin) / 2
corriente uniforme Vm da origen a una
oscilación de velocidad y dirección
según la fórmula: Si se designa por $ al ángulo que forma
Vm con la dirección de la velocidad
V = Vm + V
instantánea V, la oscilación máxima
Cuando Vm y V son del mismo sentido, puede calcularse por la expresión:
la velocidad es máxima. Cuando Vm y V
sen $ = V / Vm

En la tabla pueden Vmáx (m/s) Vmín (m/s) Desvío Observado Desvío Calculado
observarse los resultados
de la regla de composi-
ción citada y observacio- 53.0 39.0 8º 9º
nes realizadas por L. Vadot 36.5 19.7 22º5' 24º
en la Banne dÓrdanche. 20.5 11.0 178º 19º



Las observaciones demuestran que los Las fluctuaciones más molestas son los
desvíos en sentido vertical son de 5 a 10 cambios de dirección que tienen lugar
veces más pequeños que los desvíos en el plano horizontal.
horizontales.
Turbulencia del Viento
Se define así a la relación entre el desvío que para Comodoro Rivadavia este
típico y la velocidad máxima. En el valor se ubica en valores superiores al
hemisferio Norte se registran valores 17%
medios del orden del 10 al 12% mientras

Variación de la Velocidad del Viento con la Altura
El aumento de la velocidad del viento, a altura H.
medida que nos separamos del suelo, es Generalmente se toma para Ho el valor
un fenómeno bien conocido. Así de 2 10m; n es un coeficiente que varía desde
m/s a 20 m de altura la velocidad del 0.10 a 0.40.
viento pasa a 7 u 8 m/s a 300 m de
altura. También se puede aplicar la siguiente ley
logarítmica:
La reducción de la velocidad en las
proximidades del suelo se debe a la
reducción experimentada por la vegeta- V /Vo = log (H/zo) / log (H/z)
ción, construcciones y obstáculos de
otras clases.
Donde zo es la longitud relativa de la
Las determinaciones meteorológicas nos rugosidad del suelo.
demuestran que el crecimiento relativo
En la tabla se indican los valores de zo y n
de la velocidad del viento con la altura
en función de rugosidades diversas.
respecto al suelo varía de un punto a
otro. Se debe destacar que las alturas H y Ho
no son relativas al suelo, sino respecto a
Varios autores han propuesto la siguien-
un nivel de viento nulo. Esta puede ser
te expresión para representar la ley de
por encima de los tallos de los cereales o
variación de la velocidad del viento:
la altura de ramaje de los árboles.

n
Puede plantearse la relación entre zo y n
V / Vo = (H / Ho) siguiente:

Siendo Vo la velocidad observada a la n = 0.04 ln zo + 0.003 (ln zo)2 +0.24
altura Ho y V la velocidad observada a la



Como la energía susceptible de ser E / Eo = (H / Ho)3n con 0.30<3n<1.20
captada es proporcional al cubo de la
velocidad, se deduce que la relación Por lo tanto será de gran importancia
entre las energías disponibles a H metros para recoger el máximo de potencia
y a Ho metros sobre el suelo viene dada colocar a los generadores lo más alto
por la expresión posible.
Tipo de terreno zo en m n
Liso (mar, arena, nieve) 0.001-0.02 0.10-0.13
Moderadamente rugoso (hierba corta, campos de 0.02-0.3 0.13-0.20
trigo u otros cereales, regiones rurales) 0 0
Rugosos (bosques, barrios) 0.3-2 0.20-0.27
Muy Rugoso (ciudades, altos edificios) 2-10 0.27-0.40

Estudio Estadístico de los Vientos
Con los registros anemométricos se mensual. La confección de estas curvas
puede deducir la curva de velocidad es indispensable al momento de evaluar
ordenada y las curvas de frecuencia un proyecto.

Curva Ordenada Anual de Velocidades
En abscisas, se lleva la duración anual permiten clasificar las velocidades
durante la cual los vientos tienen una características en los distintos períodos
velocidad superior a un valor determina- bajo análisis.
do, que se representa en ordenadas. Con algunas lecturas obtenidas en una
Esto se hace para cada período de estación de Comodoro Rivadavia, cuyo
observación de un año. Así se puede anemómetro se encuentra a 40 m de
confeccionar una curva interanual de altura, se han construido algunas curvas
vientos clasificados, si las observaciones demostrativas del comportamiento del
se refieren a varios años. viento en esa zona.
Por simple lectura, las curvas anuales

Curva Ordenada
de Velocidades
Comodoro
Rivadavia 40m



Curva de Frecuencia Anual de Vientos
Esta curva puede deducirse de la anterior. Generalmente presenta uno o dos máximos.

Curva de frecuencia de lecturas de velocidad cada 10 min
Comodoro Rivadavia 40 m - En línea de trazo se señala la tendencia
N° lecturas
2500

2000

1500

1000

500

0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
m/s

Estudio de los Períodos de Calma y Vientos Improductivos
Los anemómetros, habitualmente características relativas a los períodos
utilizados, no brindan indicación alguna durante los cuales la velocidad del
por debajo de los 2 m/s. A estos perío- viento ha sido inferior a 3 y 5m/s.
dos se les llama períodos de calma. Los generadores eólicos no arrancan
En eólica es interesante conocer las por debajo de estos valores.

Comportamiento Típico Horario en cada Mes Lecturas de 10 min en por Unidad
1,5
1,4
1,3 Abril
1,2 Mayo
1,1 Junio
1 Julio
0,9 Agosto
0,8 Septiembre
0,7 Octubre
0,6
0,5
0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00



Con las lecturas existentes de la estación 19% de tiempo improductivo.
referenciada a 40m de altura se han Con esos mismos datos existentes se han
verificado que de 23904 lecturas, 3513 determinado distintos comportamientos
se hallan por debajo de los 4 m/s y 1085 que graficamos por interés didáctico.
por encima de 20 m/s. Esto equivale a

Comportamiento Típico Medio Horario en cada Mes Lectura de 10 min

Comportamiento Horario Mes de Mayo



Comportamiento Típico Horario en cada Mes

El análisis de la variación de la velocidad do la frecuencia de variación del desvío
del viento en períodos cortos de tiempo típico de la velocidad en lecturas de 10
es muy importante. min a 40 m de altura.
En la gráfica que sigue se ha representa-

N° lecturas Distribución de Lecturas de Desvíos Típicos cada 10 min

9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0

m/s



Curvas de Energías Disponibles

La potencia suministrada por el viento t t
es proporcional al cubo de la veloci- E = ò Pdt + K ò V 3 dt
dad. De este modo, puede obtenerse 0 0
la curva de energía para cada abscisa
haciendo el cubo de las ordenadas de También, se pueden trazar las curvas
la curva monótona de velocidad. de repartición de la energía en
La forma es similar a la monótona kWh/m2 en función de la velocidad del
pero su pendiente es más acentuada. viento para intervalos de 1m/s. Estas
El conocimiento de la curva permite curvas permiten advertir la importan-
determinar la energía capaz de cia de los vientos, de intensidad
generarse. Ésta es proporcional al comprendida entre los valores útiles
área comprendida entre el sistema de dados, bajo el punto de vista de la
ejes y la curva V3. producción energética.

Energía Eólica Realmente Utilizable por los Aerogeneradores

Los aerogeneradores arrancan a partir utilizable.
de una determinada velocidad del Lo mismo sucede con la energía de
viento. Para ciertos tipos, esta velocidad vientos de gran intensidad que suponen
de arranque puede ser muy pequeña , un peligro para la misma instalación.
del orden de 2 m/s (Savonius). Para Durante esos períodos se suspende el
otros, es un tanto más importante, 3 m/s funcionamiento del aerogenerador.
y hasta 5 m/s. De esto se deduce que la
energía del viento cuya velocidad es Los equipos, además, están dotados con
menor a un cierto valor Vm no es dispositivos reguladores que entran en



juego y mantienen constante la veloci- soportada por la máquina
dad de rotación a partir del momento en T2= Tiempo durante el cual la velocidad
que el viento supera una velocidad Vn del viento es superior a la velocidad
llamada velocidad del viento nominal. nominal del viento VN para la que se ha
Si el viento tiene una velocidad superior calculado el generador eólico.
a Vn, sin llegar a Vt, la máquina rota a
T3= Tiempo durante el cual la velocidad
una velocidad equivalente a la velocidad
del viento es suficiente para que el
Vn.
generador produzca energía
La potencia proporcionada por el
En el gráfico que sigue se representan las
aerogenerador permanece constante e
curvas de variación de la relación Ku
igual a la potencia nominal (potencia
existente entre la energía capaz de ser
capaz de ser producida por la instalación
suministrada por una máquina determi-
en funcionamiento permanente).
nada y la energía calculada a partir del
Coeficiente de utilización referido a la cubo de la velocidad media.
velocidad media.
El conocimiento del coeficiente Ku
Para facilitar el cálculo de la energía permite obtener la energía capaz de ser
capaz de generarse en un lugar dado a suministrada en lugares donde sólo
partir de la velocidad media del viento, existen anemómetros totalizadores. Es
los investigadores han estudiado la necesario además que la variación Ku
relación entre la energía del viento haya sido determinada para la región a
susceptible de ser suministrada por una partir de registros anemométricos de
máquina y la energía calculada toman- estaciones próximas sometidas a vientos
do el cubo de la velocidad media. de similares características.
T3
3
VN (T 2 - T 1) + ò V 3 dt La correspondencia entre las velocida-
des medias, la potencia media teórica-
Ku = 3
T2
mente disponible y la producción anual
V T
son aproximadamente las que se
Este factor, que designaremos por Ku se
observan en la tabla.
expresa por la relación anterior.

V Potencia Media Producción Anual
V= velocidad media (V = 1/T * V dt 0
T

m/s W/m2 kWh/m2
v = velocidad instantánea 3 20 180
4 40 350
VN = velocidad nominal de la máquina 5 80 700
T1= Tiempo durante el cual la velocidad 6 140 1300
7 220 1900
del viento es superior a la velocidad 8 320 2800
máxima del viento VM capaz de ser


Variaciones de la Velocidad del Viento
La característica técnica más significati- de interés yace entre las decenas de
va de la electricidad generada por minutos y años.
sistemas eólicos es su variabilidad en el En la tabla siguiente se observan las
tiempo. Si bien las escalas de tiempo de escalas de tiempo de interés para
interés tienen un rango amplio, para los sistemas de generación eólicos por parte
analistas de sistemas eléctricos el rango de los distintos actores.

Rango de Tiempo Interesado Razón de Interés
Decenas de Proyectista de las Resistencia estructural contra cargas inducidas por el viento,
segundos Turbinas vibraciones estructurales y fallas de componentes. Posibles
a a fluctuaciones de tensión y frecuencia.
Decenas de Operador del Sistema Capacidad de seguir o compensar la variación de potencia
minutos u horas de Potencia entregada por el sistema eólico. Pronóstico de vientos.
Día Sistema de Potencia Predictibilidad de un ciclo diario y la potencia asociada con
a a algunos regímenes de viento. Correlación con la curva de
b b demanda diaria.
Mes Planificador Predictibilidad de las variaciones estacionales y salidas de
a a potencia de la mayoría de los regímenes de viento. Correlación y
b b operación con la curva de demanda estacional.
Año Operador del Sistema Predictibilidad de la salida de potencia anual de la mayoría de
a y Comunidad los regímenes de vientos. Capacidad de cubrir déficit en un año
b financiera eólico promedio.
Plurianual Comunidad Variabilidad interanual y capacidad de cubrir déficit en un año
Financiera eólico inferior de lo previsto.



Teoría General de Hélices
Nociones de Aerodinamia
Los generadores eólicos, utilizados para máquinas de eje horizontal. Sin embar-
captar la energía del viento, pueden go, el rendimiento de los generadores
clasificarse en dos categorías diferentes: eólicos de eje vertical se calcula con
los de eje horizontal y los de eje vertical. relación a la potencia máxima recupera-
La teoría de Betz, que se expone más ble calculada por Betz.
adelante, se aplica esencialmente a las

Teoría de Betz
La teoría global del generador eólico de
eje horizontal fue establecida por el
alemán Betz.
V2 V1
Betz supone que el aerogenerador se S1
ubica en un sector de aire animado, S2
donde delante de la máquina la veloci-
dad es V1 y detrás V2.
Como la energía que se obtiene es a Si asumimos que la potencia absorbida
costa de la energía cinética del aire, la es igual a la variación )t de la energía
velocidad V2 es necesariamente inferior cinética de la masa de aire que atraviesa
a V1. Por lo que, para que la masa por segundo, el generador resulta:
permanezca constante necesariamente )t = ½ D S V (V12 - V22) = P = D S V2 (V1 - V2)
la vena se ensancha.
De donde puede deducirse que:
La igualdad que se puede plantear a V = (V1 - V2) / 2
partir de la incompresibilidad del aires
es: Valor que sustituido en las ecuaciones de
F y P conduce a las siguientes expresio-
S1 V1 = S V + S2 V2 nes:
La fuerza que ejerce el generador sobre F = ½ D S (V12 - V22)
el aire en movimiento es, según Euler:
F = D Q (V1 - V2) = D S V (V1 - V2)
P = ¼ D S (V12 - V22) (V1 + V2)
La potencia, absorbida por la fuerza F,
Si estudiamos la variación de la potencia
cuyo punto de aplicación se desplaza a
recogida en función de la velocidad
la velocidad V respecto de las moléculas
residual V2 después de haber pasado por
del aire en movimiento es:
el generador suponiendo constante la
P = F V = D S V2 (V1 - V2)


velocidad del viento V1 antes del paso, resultando:
debemos calcular la derivada *P/ *V2 P0 = 8/27 D S V1
3

*P/ *V2 = ¼ D S (V1 - 2V2 V1 - V2 )
2 2 2
La relación entre la potencia obtenida
esta derivada admite 2 raíces al igualar- del viento y la máxima obtenible ante un
se a 0: V2 = -V1 (que no tiene sentido) y viento no perturbado por el pasaje a
V2 = V1/3 que es un punto característico. través de la hélice sería:
2
Si suponemos que la velocidad V2 , luego (P/P0) = ½ ( 1 - (V2 / V1) ) (1 + V2 / V1)
del generador es 0, se puede suponer Si graficamos P/P0 en función de V2/V1
que se obtendría el máximo de potencia, obtenemos:

Podemos ver que la función tiene un 70 m
máximo en V2/V1 = 1/3 y que el máximo
valor de potencia obtenible es de 60 m
0.5926 o 16/27 del total de la potencia
que posee el viento 52 m

De acuerdo con las verificaciones
realizadas con los equipos modernos la
potencia a obtener en grupos eólicos de
2 3
2 palas se ubica en P = 0.10 D V
P=kW, D=m y V=m/s. El coeficiente
0.10 puede alcanzar 0.13 para diáme-
tros superiores a 60 m.



Máquinas Eólicas

Recordamos, como se describió, que la energía del aire que incide sobre sus
potencia disponible en un área de fluido palas. La teoría de los molinos de eje
gaseoso es proporcional al cubo de la horizontal demuestra que, como
velocidad del gas, pero aumenta sólo máximo, 16/27 de la energía del viento
linealmente con el valor del área se puede transformar en energía
expuesta, vale decir, con el cuadrado del mecánica de las palas, valor que en
radio del molino. máquinas avanzadas se reduce a un
Consecuentemente la velocidad del 30% de la energía del fluido.
viento disponible en una región será el En las gráficas siguientes se esquemati-
factor determinante en la viabilidad del zan los pasos principales en el proceso
empleo del recurso eólico con fines de conversión de la energía del viento a
energéticos prácticos. energía eléctrica en un generador eólico
Por otra parte, una máquina eólica y las pérdidas de eficiencia que se
puede convertir en energía mecánica, producen en cada paso hasta la entrega
(como se demostró) sólo una parte de la de electricidad al pie del generador.



Viento Energía Residual del Aire
Energía Cinética Empuje Aerodinámico
del Aire Momento de Rotación Rotor:
Dispositivo de Cambio
de Paso Cojinetes de
Rotor Dispositivo de
Seguimiento de la
Dirección del Viento
Freno Mecánico

Caja Reductora
Transformación del
Control del Momento
Momento de Rotación de Rotación y la
Temperatura

Generador Control
Transformación
de la Potencia y la
Mecánica/ Eléctrica
Temperatura

Control del
Aerogeneardor
Consumidor Sistema de Seguridad

Pasos en la Conversión de Energía y
Componentes del Sistema

La tecnología de las máquinas eólicas velocidad dada de viento. Por ejemplo,
experimentó avances importantes en los una máquina de dos o tres palas que
últimos 100 años. En este lapso, se opera con un viento de 10 m/s entrega
introdujeron nuevos diseños donde los más del quíntuple de potencia mecánica
molinos tradicionales de eje horizontal y que un molino lento de muchas palas.
muchas palas, que pueden operar con En la mayor parte del planeta, donde
bajas velocidades de viento pero con existen vientos de 3 a 7 m/s, se pueden
muy pobres valores de eficiencia, emplear máquinas lentas de tipo
dejaron de ser la única alternativa. multipala para bombeo de agua o
Las experiencias que comenzaron a tareas de molienda, por el bajo requeri-
llevarse a cabo sobre máquinas de miento de potencia que esta clase de
pocas palas demostraron que las dispositivos tiene para su puesta en
mismas podían alcanzar velocidades de marcha, pero la baja eficiencia de
rotación mucho mayores para una conversión no permite su aplicación


para la generación de energía eléctrica. Entre sus ventajas se destaca que no es
Las máquinas eólicas empleadas para la necesario reorientarlas cuando cambia
generación de energía eléctrica, se la dirección del viento y que se dispone
pueden clasificar en dos grandes del sistema de generación eléctrica en la
grupos, según el eje de rotación de las parte inferior de la estructura con la
palas sea horizontal o vertical. consiguiente simplificación de las tareas
de reparación y mantenimiento.
Los molinos de eje horizontal han sido
los más utilizados tradicionalmente, pero Existen en el mercado generadores
en los últimos años las máquinas con eje eléctricos basados en molinos de viento
vertical han adquirido importancia en el rango de potencia que va desde
creciente. una fracción de kW hasta varios MW.

Si bien se han 100% Energía Cinética del Aire
construido máquinas
comerciales de varios
41% Energía No Aprovechable
MW con diámetros de 0Betz= 59%
pala de más de 100
m, las mejores
relaciones costo -
beneficio se obtienen 21% Perdidas Aerodinamicas
con aerogeneradores 0Aer= 65%
del orden de los 300 a
7000 kW. 4% Pérdidas
En este tipo de de la Caja
molinos, los costos de
instalación se ubican 0.5% Pérdidas en Cojinetes
en el orden de los 5.5% Pérdidas del Generador
1000 a 1200 0 = 85%
Gen

u $ s / k W, s i e n d o
posible obtener 28% Energía Eléctrica Aprovechable

energía eléctrica con un costo de producción del orden de 0.045-0.055 u$s/kWh,
costo de operación y mantenimiento aprox.= 0.01 u$s/kWh.
Este modo de generación es competitivo en el caso de sitios aislados de la red que
cuenten con buena disponibilidad del recurso.
Por su parte la generación eléctrica de base mediante aerogeneradores es viable
desde el punto de vista de la disponibilidad del recurso primario, en distintas áreas del
planeta; los cálculos y estimaciones sobre la capacidad total de esta forma de genera-
ción indican que la misma podría contribuir significativamente al menú energético de


algunas naciones, pero su horizonte es y que ese hecho, junto con la menor
muy limitado en otras. exigencia de gastos de operación y
Sin embargo, la disponibilidad del mantenimiento, daría una mejor
recurso no es el único factor a tomar en rentabilidad. Sin embargo, los esfuerzos
cuenta, existen todavía algunos proble- mecánicos que deberán satisfacer las
mas técnicos por superar para que máquinas proyectadas requieren
pueda considerarse la participación de emplear en su construcción materiales
este tipo de máquinas para la genera- de propiedades mecánicas extremada-
ción en gran escala. mente altas para las cuales el costo es
mayor.
En primer lugar, la dispersión del recurso
y la necesidad de utilizar áreas de Por último, y también como en el caso de
recolección muy grandes obligan a la energía solar, para que la utilización
pensar en formas de optimizar al del recurso eólico resulte atractivo,
aprovechamiento. Al respecto, existen aplicado a la generación de base, será
dos aproximaciones al problema: la que necesario establecer un sistema de
contempla la instalación de un número almacenamiento y distribución de los
importante de máquinas de porte excedentes disponibles durante períodos
intermedio para generar de ese modo de sobreoferta de energía eólica que
una potencia aceptable y la que propone permita desacoplar la demanda energé-
centrar los esfuerzos en el desarrollo de tica de la generación. Esta exigencia y el
máquinas de gran diámetro. desarrollo de nuevas soluciones tecnoló-
gicas que permitan aumentar el rendi-
Los defensores del concepto de la miento de los molinos a un costo
“granja eólica”, experiencia llevada a razonable son dos metas a cumplir para
cabo desde hace ya algunos años en que se puedan concretar instalaciones
Estados Unidos y en Dinamarca, de base que utilicen como fuente
destacan la gran confiabilidad de los primaria de energía el recurso eólico.
molinos pequeños y su bajo costo de
capital. Por el contrario, los que prefieren A fines de 1999, la potencia eólica
la idea de desarrollar grandes máquinas instalada en el mundo llegaba a 13.932
hacen hincapié en los problemas de MW con una producción cercana a los
operación y mantenimiento que se 30 TWh (fc= 0.25) Los recursos mundia-
pueden llegar a presentar en una planta les por energía eólica se calculan en
de 4000 MW que genere esa potencia 53000 TWh. En nuestro país, se encuen-
mediante 2.000 molinos de 2.000 kW tran varios generadores y parques.
cada uno. Considerando el ingreso del último
parque sw Comodoro Rivadavia de 10.6
A favor de los molinos de gran porte, se MW, la potencia instalada eólica en
señala que su construcción en serie nuestro país es de 27.4 MW.
abarataría considerablemente los costos

Sabino Mastrángelo et al
Ciudad Provincia Operador N° de Potencia Puesta en Viento Modelo
a a a Molinos kW Marcha Prom a
b b b a a a m/s b
Comodoro Rivadavia Chubut PECORSA 2 *250 500 Ene-94 11.2 MICON M530-250
Comodoro Rivadavia Chubut SCPL Comodoro Rivadavia 8* 750 6000 Sep-97 11.2 MICON NM750-44-40
Comodoro Rivadavia Chubut SCPL Comodoro Rivadavia 16*660 10560 2001 11.1 GAMMESA-VESTAS
Cutral Có Neuquén Copelco 1*400 400 Oct-94 7.2 MICON M50-400/100
Punta Alta-Pehuencó Buenos Aires Coop Pta Alta 1*400 400 Feb-95 7.3 MICON M750-400/100
Punta Alta - Bajo Hondo Buenos Aires Coop Pta Alta 3*600 1800 Dic-98 7.3 AN BONUS
Pico Truncado Santa Cruz Municip de Pico Truncado 2*600 1200 Feb-01 9 ENERCONE E-40
Rada Tilly Chubut Coagua 1 *400 400 Mar-96 10.8 MICON 750-400/100
Tandil Buenos Aires Cretal 2*400 800 May-95 7.2 MICON M750-400/100
Darragueira Buenos Aires Coop Darregueira 1*750 750 Oct-97 7.3 MICON NM 750-44-40
Mayor Buratovich Buenos Aires Coop Buratovich 2*600 1200 Oct-97 7.4 BONUS 600/44-3
Claromecó Buenos Aires Coop. Claromecó 1*750 750 Dic-98 7.3 MICON NM750-48-46
Gral Acha La Pampa Coop de Gral Acha 1*900 900 Dic-01 MICON
Total 25660

31


Proyectos Registrados

Ciudad Provincia Operador Potencia kW
Gral. Acha La Pampa Coop de Gral Acha 900
Bahía Blanca Buenos Aires CEEBB SA 117 000
Puerto Madryn Chubut ENARSA 60 000
Rada Tilly Chubut Rada Tilly Milenio 6 600
Olavarría I Buenos Aires Vendaval 100 000
Olavarría II Buenos Aires Vendaval 100 000
Olavarría III Buenos Aires Vendaval 100 000
Olavarría IV Buenos Aires Vendaval 100 000
Pigué Buenos Aires Vendaval 80 000
Bahía Blanca I Buenos Aires Vendaval 100 000
Bahía Blanca II Buenos Aires Vendaval 100 000
Bahía Blanca III Buenos Aires Vendaval 100 000
Bahía Blanca IV Buenos Aires Vendaval 100 000
Punta Alta Buenos Aires Vendaval 120 000
Mayor Buratovich Buenos Aires Vendaval 10 000
Pedro Luro Buenos Aires Vendaval 60 000
Carmen de Patagones Buenos Aires Vendaval 8 000
Puerto Madryn I Chubut Vendaval 100 000
Puerto Madryn II Chubut Vendaval 100 000
Puerto Madryn III Chubut Vendaval 100 000
Puerto Madryn IV Chubut Vendaval 100 000
Pampa Salamanca Chubut Vendaval 80 000
Pampa del Castillo Chubut Vendaval 40 000
Valle Hermoso Chubut Vendaval 40 000
Sarmiento Chubut Vendaval 20 000
Sierra Tecka I Chubut Vendaval 100 000
Sierra Tecka II Chubut Vendaval 100 000
Trevelín I Chubut Vendaval 100 000
Trevelín II Chubut Vendaval 100 000
Aimogasta La Rioja Vendaval 80 000
Total 2 322 500



Características de Funcionamiento de los Generadores Eólicos
La característica principal de funciona- El comportamiento medio de la Curva
miento de una turbina eólica es su Curva de Potencia puede ser dividido en cuatro
de Potencia, que nos da la relación de la regiones características en función de la
potencia eléctrica de salida en función velocidad del viento tal como se detalla
de la velocidad del viento. en la tabla siguiente.

Región de Rango de Velocidad Característica Operativa
Operación Típica [m/seg] a
Región 1 0-4 Vientos demasiados débiles para producir potencia eléctrica
Región 2 4 - 12 Producción de electricidad creciente con la velocidad del
a a viento
Región 3 12 - 20 Producción de electricidad constante al valor de placa
Región 4 20 - 25 Sin producción eléctrica. Los vientos son demasiados
energéticos para justificar aumentar resistencias y costos
para un pequeño número de horas al año. La turbina
permanece parada

Las gráficas que se agregan correspon- entregar potencia, cercana a los 4 a 5
den a distintos equipos comerciales, m/s, alcanzan su potencia nominal a los
existentes en plaza actualmente, puede 15 - 16 m/s y tienen una velocidad
observarse que en éstos su comporta- máxima admisible de operación, que
miento se corresponde con la clasifica- para algunos equipos es de 25 m/s y
ción característica señalada. Tienen una mientras que otros se detienen al
velocidad inicial donde comienzan a alcanzar los 20 m/s.



Curva de Producción Generadores Instalados Coop. Comodoro Rivadavia

Curva de Producción Generadores AE52 1000 kVA

Utilización de Máquinas Eólicas - Granjas
Utilización de las Turbinas Eólicas
Actualmente las turbinas eólicas se y construyen en una gran variedad de
utilizan fundamentalmente para la escenarios.
generación eléctrica en diversas regio- Sus aplicaciones pueden dividirse en tres
nes del mundo. Las mismas se proyectan clases.


Granja Eólica
Una granja eólica produce energía modo de no alterar la calidad de la
eléctrica por medio de un gran número potencia entregada.
de turbinas eólicas dispuestas próximas Este porcentaje se relaciona con el
entre sí, ésta es inyectada a la red en el efecto que la variabilidad del viento
punto de conexión. Los rangos normales provoca en la producción del generador
de potencia para las turbinas eólicas eólico, aunque también se debe consi-
oscilan entre 300 y 750 kW (35 a 50 derar la tecnología eólica aplicada, las
metros de diámetros de rotor). Desde la características y limitaciones operativas
perspectiva de un flujo de potencia de la generación convencional, los
eléctrico, esta generación actúa en sistemas de control que integran la
paralelo con la generación convencio- operación eólica-convencional y la
nal para suministrar energía eléctrica a capacidad y longitud de las líneas que
la demanda. Las turbinas requieren vinculan la generación con la demanda.
algún tipo de asistencia de la red
eléctrica, ya sea desde una simple
referencia de frecuencia hasta el reactivo
que necesitan para su funcionamiento
(generadores asincrónicos).
La disposición física de la granja puede
consistir en centenares de máquinas,
que entregan potencias del orden de las
decenas y centenas de MW.
El Grado de Penetración Eólica (GPE), es
el indicador que mide el porcentaje de 1.- Generación Aislada son aquéllas
Aislada,
generación eólica frente al total genera- que no están conectados a una red
do. Existe consenso en aceptar 7% como eléctrica. El número y el tamaño de los
un valor aceptable de GPE, aunque generadores es generalmente menor (1
existen sistemas que operan con valores a 100 kW).
del orden del 10 y hasta del 15%, pero
frente a parques convencionales 2.- Sistemas Híbridos, son usados
adecuados para la operación en fundamentalmente cuando no hay red
conjunto. eléctrica. El número y el tamaño de los
generadores eólicos se reduce (1 a 50
GPE = Potencia Eólica / (Potencia Eólica kW) y se integran fuertemente con otros
+ Potencia Convencional) sistemas de potencia (arreglos eólicos-
EN EUA se acepta hasta un 15% de solares-hidro-diesel, etc).



Factor de Carga
El Factor de Carga es un indicador de la A nivel mundial se considera como muy
productividad de una unidad o de un buenos los factores que son del orden
parque de generadores. Se define como del 24 a 30%. En la zona Sur de nuestro
la relación entre la energía producida y país se han verificado instalaciones con
la producible. valores muy superiores.
FC = Producción de energía en un período de tiempo /
/ (Potencia Nominal * horas del período considerado)

FC Medios Distintas Instalaciones

FC Mensual Rada Tilli-Pecorsa



Confiabilidad - Disponibilidad
La confiabilidad de las turbinas eólicas control.
mejoró enormemente en los últimos La confiabilidad de los equipos normal-
años debido al mejor conocimiento de la mente se mide a través del tiempo medio
naturaleza del viento, del avance entre fallas, el tiempo medio de repara-
tecnológico para producir mejores ción, el costo de resolver las fallas y
materiales y diseños y de la mayor también midiendo la disponibilidad.
experiencia en la operación. El avance
no sólo se verificó en los elementos Aquí existen algunas alternativas. Estos
constituyentes de la turbina sino también índices llegan hoy en día a valores del
en todo lo referido a los sistemas de orden del 98 %.
Disponibilidad Total (DT) = Horas que la turbina es capaz de generar / horas del período analizado
Disponibilidad Operativa (DO) = Horas reales de operación /
/ horas con velocidad dentro del rango de operación

Proyecto Ubicación DO
Pecorsa Comodoro Rivadavia 99.20
Scpl Comodoro Rivadavia 99.20
Copelco Cutral Có 96.00
Cretal Tandil 98.70
Punta Alta Punta Alta 98.00
Coagua Rada Tilly 99.50
Darragueira Buenos Aires 99.00
Buratovich Buenos Aires 84.70

La Predicción del Viento
Si bien el viento es variable, no es Pronosticar la velocidad y la duración de
completamente aleatorio. En escalas de los vientos para planificar el despacho
tiempo, que son relevantes para los diario de todo el sistema, es un área de
operadores de sistemas de potencia, el investigación que se encuentra muy
viento es estadísticamente predecible activa.
(en el mismo sentido que la demanda lo El pronóstico de vientos, en las escalas
es). El grado de exactitud dependerá de de meses y años, se usa para realizar las
entender la naturaleza del viento, de la proyecciones de la energía producida
exactitud de las mediciones, de la esperada, que formarán la base para el
capacidad de las herramientas matemá- financiamiento y la ubicación de la
ticas y computacionales y del período de granja eólica.
tiempo que se quiere predecir.


Correlación con la Demanda
La demanda tiene una componente podrá asociar al sistema eólico un valor
predecible muy significativa. Así es que de capacidad además del de energía.
la demanda diaria y mensual pueden ser Cuanto mayor sea la correlación mayor
comparadas tanto con los registros será la confiabilidad en la potencia
históricos como con la potencia eólica eólica que servirá para cubrir parte de la
esperada diaria y mensual correspon- demanda.
dientes. Si existe una correlación, se le

Producción de una Turbina Eólica
Hay grandes diferencias entre las del sistema de control, las fluctuaciones
características eléctricas de corto del viento con períodos mayores a los
plazo(segundos a minutos) de la segundos, pueden ser reproducidas en
producción de una turbina eólica y de fluctuaciones de la potencia de salida. El
un parque eólico. Sobre gran parte del sistema de control puede contribuir al
rango de operación, la generación alisado de la potencia generada. Esto
eléctrica de una turbina se corresponde ocurre cuando las velocidades de los
estrechamente con las características vientos son suficientemente altas como
del flujo de viento incidente en la misma. para que el sistema de control module la
La inercia del rotor compensa fluctua- eficiencia de la aerodinámica de los
ciones temporales del viento, del orden álabes para mantener la salida de
de los segundos o menos. Dependiendo potencia a su valor de placa.
Producción de una Granja Eólica
La producción eléctrica de una granja es Con respecto a las fluctuaciones de una
mucho más alisada que la de una sola turbina, una completa falta de
turbina individual. El grado de alisado correlación implicaría que las fluctuacio-
dependerá de la extensión geográfica de nes en la producción eléctrica de una
la granja eólica, de la velocidad prome- granja son reducidas por la raíz cuadra-
dio del viento, de las características de da de máquinas no correlacionadas de
los sistemas de control y del tipo de la granja que contribuyen a la potencia
terreno (influencia la distribución de de salida.
velocidad) donde se instala la granja. Si se tienen diversas granjas instaladas,
La razón fundamental para que se el mismo principio de alisado puede
produzca este alisado, es que la estructu- aplicarse a la potencia generada por
ra del soplido del viento, tanto espacial todas las granjas (falta de correlación
como temporal, se encuentra menos entre las fluctuaciones de los vientos
correlacionada a medida que las incidentes en las diversas granjas).
distancias entre turbinas se hace mayor.


Calidad de Potencia
Los operadores y planificadores de un 4 La distorsión armónica
sistema eléctrico están interesados en las 4 Las fluctuaciones de tensión
características técnicas del fluido
4 Las desviaciones en la frecuencia
eléctrico, denominado la calidad de la
potencia. Los parámetros de calidad Con la excepción de su intermitencia, las
tienen que ver con: características técnicas de la potencia
4 La variabilidad de la generación
eléctrica suministrada por una moderna
eléctrica granja eólica son comparables con
aquéllas suministradas por una central
4 El factor de potencia de generación convencional.
Operación de Generadores Eólicos
La generación eólica difiere de la dad que debe tener el suministro de
generación convencional en un cierto energía eléctrica. Como los costos
número de importantes aspectos: económicos, sociales y políticos asocia-
1.- El “combustible” viento es una fuente dos a una falta de suministro de energía
intermitente de energía. son muy altos, tradicionalmente se
resiste a considerar que una fuente
2.- El “combustible” viento tiene una alta intermitente pueda ofrecer potencia
variabilidad. firme.
3.- El parque eólico debe ubicarse Los parques eólicos se están convirtiendo
donde se encuentra el recurso viento rápidamente en una gran fuente de
que puede o no estar cerca de la generación a escala de una central
demanda o de la red de transmisión. eléctrica convencional. Esto se debe a
Los sitios muy buenos pueden estar que sus costos por unidad de energía
más lejos de la demanda que los disminuyeron sensiblemente en esta
sitios que están disponibles para última década. Pero para que puedan
competir con las fuentes de combus- integrarse sin problemas a un sistema
tibles fósiles. eléctrico de potencia se deben tener en
4.- Los sistemas eólicos tienen un factor cuenta algunos factores.
de capacidad bajo (0.2 al 0.4) Uno de los principales aspectos que
respecto de los sistemas convencio- interviene en este análisis de intermiten-
nales. cia es la incerteza en el pronóstico del
Esta naturaleza intermitente y variable viento, con el agravante de que la
del viento (puntos 1 y 2) puede causar potencia varía con el cubo de la veloci-
problemas al sistema eléctrico, con dad del viento, por lo tanto un error del
relación al grado de calidad y confiabili- 5% en el pronóstico del viento conlleva



un error del orden del 16% en la poten- las eólicas se les asigne poco o ningún
cia producida. valor de capacidad. Si la granja eólica es
El sistema eléctrico debe tener por lo vista entonces como una potencia no
tanto una reserva de generación firme, las centrales convencionales
convencional que tenga en cuenta la deberán proveer la capacidad firme
posibilidad de no disponer de potencia para respaldarla. Si la modularidad de
eólica en determinados períodos. Si una granja eólica puede ser pronostica-
hipotéticamente se tuviera un pronóstico da, la capacidad de respaldo podrá ser
exacto del viento, el sistema no necesita- minimizada.
rá tener un respaldo para el parque La potencia eólica puede predecirse,
eólico, encontrándose así un ahorro al aunque el pronóstico no sea exacto. La
evitar exceso de generación. energía eólica no pronosticada puede
El sistema como un todo tiene entre ser usada para desplazar energía
otros, dos objetivos contrapuestos: suministrada por centrales convenciona-
les que siguen la demanda. Sin embar-
4 Brindar un servicio con una aceptable
go, a medida que la generación eólica
confiabilidad. se vuelve económicamente más compe-
4 Operar al más bajo costo. titiva, es importante saber cuánto es el
La confiabilidad es proporcional a la valor de capacidad del viento, ya que sin
cantidad de reserva en línea. Poca este valor la generación eólica tiene una
reserva viola las restricciones de confia- mínima contribución a la confiabilidad
bilidad, mucha reserva viola el objetivo del sistema. Por lo tanto, un pronóstico
de minimización de costos. exacto permitirá contar con la potencia
de las granjas eólicas, reduciendo
Cuando se calculan los márgenes de
costos sin disminuir la confiabilidad.
reserva de la operación, es usual que a

Predespacho y Reserva Rotante
En un sistema eléctrico, la generación sistema deberá contar con una reserva
siempre procura equilibrar en forma de potencia rotante.
instantánea a la demanda. Para ello se Las turbinas eólicas generan en forma
debe coordinar la salida de potencia, de intermitente. Si la potencia suministrada
una variedad de fuentes energéticas a la red por este tipo de generación es
independientes, con su tensión y importante, dicha intermitencia puede
frecuencia correctas. Si un generador desequilibrar al sistema.
sale de servicio imprevistamente y no hay
una potencia que compense esta Una estrategia para suavizar la fluctua-
pérdida, todo el sistema puede colapsar ciones de potencia del parque eólico es
(blackout). Para evitar este desbalance el asignar una reserva rotante de genera-



dores convencionales que la compense, do las unidades según sus costos
por lo que la generación eólica se hará crecientes de generación (orden de
menos efectiva desde el punto de vista mérito) con factores de capacidad
del costo. Con un pronóstico perfecto de decrecientes para centrales con eleva-
los vientos, la energía eólica puede dos costos. Las unidades de arranque
reemplazar a la energía convencional lento tienen asociado un costo fijo alto
MWh por MWh. con un costo operacional bajo la
Podrá observarse aquí la importancia relación es recíproca para las unidades
que tiene disponer de pronósticos de de arranque rápido. El objetivo buscado
calidad con una anticipación suficiente es minimizar el costo total de producción
para permitir las maniobras sobre el de energía eléctrica satisfaciendo la
equipamiento convencional sin necesi- demanda y cumpliendo con los requisi-
dad de mantener una gran proporción tos de confiabilidad del sistema.
de potencia rotante. Se debe tener, tanto como sea posible,
El predespacho (proceso de decidir capacidad de unidades de arranque
cuáles son las unidades que deberán lento para cubrir la demanda. Sin
estar disponibles para generar) involucra embargo despachar mucha de esta
estudios en una escala de tiempo mayor. capacidad tiene su costo. Cuando se
La cantidad de tiempo que un generador considera el valle de la demanda, la
requiere para ir de un estado no opera- suma de potencias de estas unidades
cional a un estado de producción (aún estando en sus mínimos operacio-
eléctrica varía según el tipo. Un ejemplo nales) puede exceder este valor y como
de unidad de arranque rápida puede ser consecuencia se deberá vender dicha
una TG cuyo tiempo puede ser de energía sobrante o sacar de servicio
algunos minutos. Un ejemplo de unidad alguna unidad. Hay restricciones de
de arranque lento es una central de operación por los tiempos que se
combustión externa o nuclear que requieren para enfriar y arrancar
requiere horas o días. nuevamente las unidades de arranque
lento, siendo que éstas no pueden
La demanda se cubre a través de una simplemente salir de servicio en el valle
combinación de unidades de arranque de la demanda para ponerse en funcio-
lento y rápido. Se debe planificar al namiento en el pico. En contraste con el
menos con un día de anticipación para problema de poner unidades de más, se
tener suficiente capacidad de unidades tiene el problema de poner unidades de
de arranque lento conectadas al sistema menos, con lo que las máquinas más
y así poder cubrir el pico de la carga del caras estarían operando más tiempo que
día siguiente. el debido.
Para minimizar los costos se van cargan- Cuando se consideran fuentes intermi-



tentes, el predespacho óptimo se vuelve parque eólico.
aún más complicado. Si la generación Un pronóstico inexacto causa proble-
eólica es importante con relación a la mas. Si es optimista (los vientos previstos
potencia total del sistema, se debe son mayores que los reales, por lo que la
balancear el riesgo de no considerar a la potencia eólica obtenida es menor que
capacidad eólica como firme con el la calculada) el margen de reserva será
riesgo de predespachar un exceso de demasiado bajo. Este déficit de capaci-
capacidad de unidades lentas. dad disminuirá entonces la confiabili-
Entonces, desde el punto de vista del dad, pudiendo causar mayores costos al
predespacho, el beneficio que se sistema. En forma inversa, el objetivo de
obtiene de tener un pronóstico exacto es confiabilidad puede ser excedido
poder optimizar la cantidad de unidades cuando el pronóstico es pesimista (los
de arranque lento minimizando el riesgo vientos previstos son menores que los
de producir poca o mucha energía de reales, por lo que la potencia eólica
bajo costo. obtenida es mayor que la calculada), es
Una planificación de la generación, decir habrá unidades predespachadas
estará entonces ligada a la planificación de más, resultando un exceso de
de la generación eólica que estará capacidad rotante. El exceso de confia-
ligada al pronóstico de los vientos. bilidad no es un problema en sí mismo,
pero da como resultado un punto no
Cuanto más exacto dicho pronóstico óptimo de operación incrementando
mejor se podrá integrar la potencia innecesariamente los costos operacio-
eólica a todo el sistema, sin necesidad nales.
de mayor reserva de respaldo del

CAPÍTULO 2
Principios de Funcionamiento de la Máquina
de Inducción Como Generador
Analizando la máquina sincrónica como valor eficaz
motor, se tiene que las fuerzas magneto
E1=4,44 k f1 N1 n
motrices debidas a los campos estatóri-
cos y rotóricos dan por resultado un flujo donde k es un valor que depende de la
giratorio en el entrehierro. distribución de los bobinados y n es el
flujo en el entrehierro y, en el rotor o
Este flujo común giratorio determina la
secundario induce una fem de expresión
inducción, en cada fase del estator, de
una fem E1 de frecuencia f1 (la de la red) y E2s= 4,44 k2 f2 N2 n y



siendo f2 = s f1 se puede expresar Dicho de otro modo, el generador
E2s= 4,44 k2 s f1 N2 n que se puede asíncrono no es autoexcitable.
poner como E2s = s E2 de Para que la máquina de inducción
donde se puede inducir que, si se invierte pueda funcionar como generador
el signo del deslizamiento, se invierte el precisa que, sobre la misma red a la que
sentido de la fem inducida. está conectada, se hallen otros genera-
dores capaces de facilitarle la corriente
Si, mediante un motor acoplado a un
magnetizante.
motor sincrónico se hace girar el rotor en
el mismo sentido del campo giratorio, a La frecuencia de esta corriente, fija la
una velocidad superior a la de sincronis- velocidad del campo giratorio y la
mo, el deslizamiento cambia de signo frecuencia de la corriente activa que el
entonces, el sentido de la fem inducida generador asíncrono proporciona a la
en las fases del rotor se invierte, al igual red, independientemente de la velocidad
que la corriente que ésta determina, y la de giro del rotor, superior siempre a la de
máquina pasa a funcionar como sincronismo.
generador, cediendo a la red, a la que La velocidad del rotor influirá en la
está conectada, la potencia que desa- frecuencia de deslizamiento, de forma
rrolla el motor de accionamiento. que la onda de fmm del rotor se mueva a
Tal circunstancia, evidentemente no se lo largo del entrehierro a la misma
da si en la máquina no existe previamen- velocidad que la onda de fmm de las
te el campo magnético giratorio, lo cual corrientes estatóricas.
exige que la red suministre a la máquina Un diagrama circular típico de este tipo
de inducción, la corriente magnetizante de máquinas tiene la siguiente forma.
que excita el campo magnético.

U1

Motor
jm
Potencias Activas

Corriente para S=0
Potencias Reactivas
jg

Generador



Se observa que nm y ng tienen igual completamente autónoma limita mucho
signo para el seno y diferente para el el empleo de los generadores asíncronos
coseno, resultando las conocidas o de inducción.
expresiones para la potencia activa Con todo, las ventajas de no exigir la
absorbida o entregada y la siempre sincronización con la red en la puesta en
absorbida potencia reactiva: servicio, que pueden arrancar fácilmente
Pm-g = m U1 I1 cos n como motores, y que, mecánicamente,
Qm-g = m U1 I1 sen n son máquinas muy robustas y relativa-
mente económicas, justifican, en
La imposibilidad de generar potencia determinadas aplicaciones su adopción.
reactiva y el no poder funcionar de forma Tal es el caso de la generación eólica.

Excitación del Generador de Inducción por Condensadores
De lo antedicho, se desprende que estas Supuesto que la máquina, por excitaciones
máquinas absorben permanentemente previas, posee un cierto campo remanente,
reactivo para sostener sus campos éste, al hacer girar el rotor a velocidades
magnéticos, independientemente de que superiores a la de sincronismo, inducirá en
funcionen como motores o generadores. el estator débiles fems., que, aplicadas a
Entonces, teniendo presente que el los condensadores, conectados en la
condensador eléctrico, sin pérdidas, sobre forma que muestra la figura, harán que
una red alterna, cabe considerarlo como generen corrientes reactivas, que reforza-
un receptor de corriente 90º en avance rán el débil campo magnético remanente
respecto a la tensión de la red, es factible inicial de la máquina. Como consecuencia
sustituir, total o parcialmente, el suministro de este refuerzo, aumentará la magnitud de
de corriente reactiva que precisa el las fems. inducidas y, a su vez, la de las
generador de inducción para la excitación fmms, magnetizantes, hasta que se alcanza
de su circuito magnético, por la corriente un estado estacionario, impuesto por la
generada por condensadores conectados saturación del circuito magnético y la
a sus bornes. característica exterior lineal del condensa-
dor, tal cual sucede en las máquinas de
Si toda la corriente reactiva del motor corriente continua autoexcitadas.
procede de los condensadores, el funcio-
namiento del generador de inducción se Este estado de equilibrio puede determi-
dice que es autónomo, o autoexcitado. narse si se conoce la característica
magnética de la máquina, es decir, la
El principio de este funcionamiento es relación entre la tensión en bornes de la
similar al de la autoexcitación de las máquina U1 y la corriente magnetizante I:.
máquinas de corriente continua.

M.
Imp G



automotores.
Un volante, de elevado momento de
inercia, gira dentro de un cárter lleno de
hidrógeno a baja presión, accionado por
un motor de inducción, hasta alcanzar la
velocidad máxima, aproximadamente,
3.000 rpm en redes de 50 Hz.
Iu Una vez que se tiene esta velocidad, se
" desconecta el motor de la red de alimenta-
Ic ción, reemplazando ésta, a efectos de
mantener la excitación del campo, por
Por otra parte, la característica exterior de condensadores, a la vez que se modifica el
los condensadores, o sea, la relación entre número de polos de la máquina de
la tensión y la corriente es: inducción, de 2 a 4, por medio de un
Ic=U1w1C = U12 B f1C simple cambio de conexiones de su
devanado, con lo cual la máquina se halla
Relación que, si por un adecuado ajuste de en condiciones de funcionar como
la velocidad la frecuencia f1 se mantiene generador asíncrono, pasando a alimentar
constante, vendrá representada gráfica- un motor trifásico de inducción, excitado, a
mente por una recta, de pendiente su vez, por la batería de condensadores del
tg " = 1/2 B f 1C generador.
En régimen estable, la tensión y la corriente Cuando la velocidad del volante ha
tendrán los valores determinados por el descendido hasta las proximidades de la
punto de intersección de la curva magnéti- velocidad sincrónica del generador de 4
ca y la recta anterior. polos, se aumenta de nuevo el número de
polos del generador mediante una
Indudablemente, como en las máquinas
segunda conmutación de las bobinas de su
autoexcitadas, existe un valor de la
devanado con lo que se reduce la veloci-
capacidad, por debajo de la cual la recta
dad síncrona. Por este medio, se puede
no corta a la característica magnética,
mantener la frecuencia entre 100 y 20 Hz,
siendo imposible la autoexcitación de la
regulando así la velocidad del motor. La
máquina.
regulación de la tensión se logra variando
Como ocurre con todas las máquinas la excitación a base de aumentar, o
eléctricas, los motores asíncronos han disminuir, la capacidad conectada.
servido para innumerables experiencias.
Una vez agotada la mayor parte de la
Quizás un ejemplo interesante de la
energía cinética del volante, debe acele-
versatilidad de la máquina asíncrona
rarse de nuevo hasta la velocidad máxima,
autoexcitada lo represente el “Girobus” de
para lo cual se hace trabajar a la máquina
la firma Oerlikon, utilizado experimental-
de inducción acoplada a su eje como
mente en la propulsión de vehículos
motor bipolar, conectándola al efecto a


una red industrial trifásica de 50 Hz. conectados también a la red para mejorar
Durante el proceso de aceleración del el factor de potencia del sistema.
volante, los condensadores se mantienen

Relación Q/PN

La conexión a la red, de este tipo de como generador) presenta a la red un
máquinas funcionando como generado- factor de potencia muy variable. Si se
res, requerirá que el sistema le entregue compensa el requerimiento de reactivo
una cantidad de reactivo que, como se de magnetización en vacío se estabiliza
observa en la figura, no es despreciable y bastante la variación mencionada.
que, como mostraban los diagramas Si el generador eólico se conecta a un
previos, será función del punto de sistema, el problema del control de
funcionamiento o de trabajo (energía tensión dependerá de si se alimenta una
activa entregada al sistema) carga local o remota y del porcentaje de
Esta demanda variable de reactivo la carga abastecido por los generadores
conlleva un problema en el control de eólicos. En general, las experiencias
tensión del punto de conexión ya que la realizadas en Dinamarca indican que el
potencia reactiva requerida variará con problema de control de tensión es mayor
el variar de la velocidad del viento ya que con bajas cargas.
con ella varía la potencia activa entrega- El control de tensión puede ajustarse, en
da (P=f(V3)). cierta medida, aprovechando los RBC de
Si bien el requerimiento de potencia los transformadores AT/MT siempre que
reactiva es alto, es dentro de todo poco los mismos cuenten con ATC y que el
variable pero, asociado a la variación de paso de cada tap sea compatible con las
potencia activa tenemos que la máquina fluctuaciones de tensión esperadas para
asincrónica (funcionando como motor o las variaciones de viento dentro del



rango predecible. Los fabricantes recomiendan que, a fin
Hay dos motivos principales por los de disminuir el riesgo de sobretensiones
cuales es dable esperar un perceptible en caso de falla y/o desconexión de la
flicker en redes con baja Ncc y relativa- red quedando en vacío, no se compense
mente importante aporte de generado- más de lo que el generador requeriría en
res eólicos. Estos son las oscilaciones de vacío o que el requerimiento de corriente
viento (viento racheado) y las corrientes reactiva de la red sea de al menos el 20%
de magnetización en el momento de la del valor de la corriente activa que el
conexión de las máquinas. generador entrega.
Las experiencias indican que, dado que Por ultimo, el comportamiento de las
los parques de generadores eólicos se centrales eólicas ante falla requiere de
componen en general de numerosas un análisis cuidadoso ya que se genera
máquinas, el efecto de las fluctuaciones un desbalance entre la carga aplicada y
del viento se ve compensado y no llega a la potencia generada la cual no puede
provocar problemas en la práctica. controlarse más que con la desconexión
del generador y, según el nivel de
En cambio, el flicker provocado por las compensación presente, pueden
corrientes de magnetización sólo se producirse sobretensiones importantes.
pudo disminuir con mecanismos de
arranque gradual, o sea con mejoras Por otra parte, dado que no poseen
tecnológicas en los diseños. Hoy, devanado de excitación, el aporte a la
prácticamente es un problema superado corriente de falla se manifiesta en
mediante mecanismos de arranque con general en unos pocos ciclos pero puede
corriente limitada, conexión previa presentar problemas en casos en que los
como motor o conmutación de genera- sistemas al cual se conectan tengan
dores de potencias crecientes. sistemas de recierre.
Para disminuir la corriente reactiva Todos estos temas deben ser profundiza-
tomada de la red, los generadores dos, en base a datos de los fabricantes
eólicos se implementan con el aditamen- pero con estudios propios.
to de capacitores shunt.

Capítulo 3
Algunos Conceptos con Relación a la Inserción de la Generación
Eólica en un Sistema Eléctrico de Potencia
Tareas Asociadas al Control Debido a la Integración
Las rápidas fluctuaciones de potencia operación y la estabilidad de la red a la
que se producen desde un parque cual se interconecta. Con el incremento
eólico, pueden afectar los costos de de disponibilidad de potencia eólica en


el mundo, este problema está en estudio. momento del rotor y el generador para
La magnitud del impacto y el efecto de responder al cambio de frecuencia y
agregación de múltiples turbinas todavía proveer de reserva rotante. La energía
no está bien cuantificado. cinética almacenada en el rotor es de
Las tareas asociadas al control, que cerca de un segundo en una base de
deben realizarse cuando se tiene potencia. Estas turbinas pueden proveer
generación eólica integrada a una red, estabilidad por unos segundos ajustan-
son como mínimo las siguientes: do la potencia un poco más alta o más
baja.
Regulación
1.- Regulación: manteniendo minuto a
minuto el balance generación- La potencia de una turbina puede caer
demanda. imprevistamente por falla de la misma o
debido a la gran velocidad del viento. El
Carga
2.- Seguimiento de la Carga: mante- comportamiento del parque eólico es
niendo hora a hora el balance totalmente diferente ya que el viento
generación-demanda. nunca cesa o se incrementa en segundos
3.- Suministro de Reactivo y Control de de forma substancial La potencia total
Tensión
Tensión: inyección y consumo de puede caer a cero sólo después de unos
potencia reactiva de los generadores pocos minutos. De esta manera, un
para el control de la tensión de la operador de una granja puede requerir
red. menos reserva complementaria que
Caliente
4.- Reserva Rotante Caliente: respuesta otros generadores.
inmediata a desviaciones de Cuanto más alejadas se encuentren las
frecuencias. turbinas eólicas entre sí, menor será el
Complementaria
5.- Reserva Complementaria: para res- control que deberá hacerse sobre las
taurar el balance generación- mismas para regular su potencia. Esto se
demanda en diez minutos luego de debe a la correlación que existe entre
una contingencia de la generación turbinas cercanas. Turbinas que se
y/o transmisión. encuentren distanciadas en un par de
kilómetros son casi totalmente indepen-
El operador de una central eólica, puede
dientes durante un corto tiempo (prome-
comprar regulación o proveerla median-
dio de 5 minutos). La diversidad espacial
te un generador convencional. Como la
de vientos ayuda a la regulación de la
mayoría de las turbinas eólicas están
potencia. Sin embargo el análisis de la
equipadas con convertidores electróni-
regulación sugiere que la cantidad de
cos, se puede vender el control de
turbinas tiene más influencia sobre la
tensión por medio de la inyección o
regulación que la separación física de
consumo de reactivo. Las turbinas de
las centrales eólicas.
velocidad variable pueden usar el



Problemas de Integración de las Turbinas Eólicas
Como consecuencia de la integración Ingeniería, Operación y Planificación
de las granjas eólicas a una red de los sistemas eléctricos.
eléctrica, se deben realizar estudios de

Estudios de Ingeniería o de Interfase
Armónicas
Armónicas: Su estudio es importante ya líneas, el agregado de controladores
que las mismas pueden causar daños VAR estáticos o adaptativos y reducción
tanto a los equipos de la empresa en la generación eólica.
distribuidora como a los usuarios. Los Control de Frecuencia Las centrales
Frecuencia:
primeros equipos de turbinas eólicas eólicas conectadas a sistemas débiles
usaban sistemas de conversión, como el pueden tener dificultades en mantener la
puente de tiristores de 6 pulsos, sin filtros frecuencia nominal. La frecuencia del
de corrección de armónicas, resultando sistema varía debido a que una variación
por lo tanto armónicas de bajo orden. repentina del viento provoca un cambio
Hoy en día los convertidores producen brusco en la generación de potencia
una salida con muy bajo contenido de activa.
armónicas debajo de lo recomendado
por el IEEE. Un estudio del EPRI mostró que una
reducción de capacidad (salida de
Reactiva
Alimentación de Potencia Reactiva: Los generadores eólicos) o un incremento en
primeros generadores asincrónicos la demanda de 10 [MW /minuto]
fueron instalados con un hardware causaría la salida de un generador de
inadecuado para compensar la potencia HELCO (Hawaii Electric Light Company)
reactiva, dando como resultado una que sigue la demanda, resultando una
tensión difícil de controlar. Hoy en día el disminución violatoria de regulación de
uso de electrónica de potencia en las la frecuencia del sistema. El sistema
turbinas de viento de velocidad variable, HELCO requiere, si se pretende aumen-
ha demostrado un amplio rango de tar el parque eólico, de lo siguiente :
control del factor de potencia en todas
4 Turbinas de velocidad variable con
las condiciones de operación.
control electrónico de potencia que
Tensión
Regulación de Tensión: Es difícil contro- pueda limitar la potencia de salida
lar la regulación de tensión, más aún durante períodos de ráfagas o fuertes
cuando la generación eólica se encuen- vientos.
tra en un área remota y conectada a la
4 Control automático de la generación
red a través de una línea de transmisión
proyectada sólo para servir la demanda con reserva rotante adicional.
de la zona. Las soluciones consideradas En el caso de PG&E and SCE las varia-
pueden incluir el diseño de nuevas ciones de potencia de corta duración en



las turbinas de viento son pequeñas negativas en la capacidad de regulación
relativas a las fluctuaciones normales de del sistema.
carga, por lo que no hay consecuencias

Estudios Operacionales
Reserva Operativa La reserva de la
Operativa: una penetración superior al 5%. En
operación sirve para asegurar un California, este tema se está volviendo
adecuado funcionamiento del sistema importante, en particular durante el valle
frente a pérdidas de generación, de la demanda ya que la penetración de
pérdidas de líneas de transmisión, la generación eólica en este período se
compras de energía desde el exterior, está acercando a este valor.
fluctuaciones anormales de la carga. Predespacho y Despacho El predespa-
Despacho:
La integración de centrales eólicas en cho significa encontrar qué generación
una red eléctrica, requiere que las cubrirá la demanda. La elección de
reservas rotantes no sólo cubran el dichas unidades se basa en el programa
incremento máximo probable de la de mantenimiento de las unidades,
demanda o la pérdida del mayor costos de arranque y parada, minimiza-
generador, sino también el descenso ción en los requerimientos de combusti-
máximo probable de potencia eólica en ble y disponibilidad estacionaria de
un período de 10 minutos. Como las fuentes intermitentes como la hidráulica
fluctuaciones de la potencia eólica de y la eólica. Este estudio se hace con una
corta duración no pueden ser anticipa- anticipación de por lo menos 24 horas.
das con un razonable grado de certeza, Para un predespacho dado, el despacho
se necesitará planificar una reserva económico determinará el punto de
operacional adicional para asegurar la carga óptimo de los generadores sujetos
integridad del sistema eléctrico. a restricciones de transporte y reserva.
La proporción actual del parque eólico Una aproximación conservativa, para
frente a la generación total en realizar el predespacho y despacho, es
California, hace que no se tengan descontar de la demanda, la posible
problemas respecto de la reserva contribución de los parques eólicos. Esto
operacional del sistema cuando varían puede realizarse siempre que la poten-
las condiciones del parque eólico. cia eólica sea bien pronosticada. Es
El punto exacto en que la integración de dobre este punto que se necesitan
generación intermitente comienza a realizar investigaciones para tender a un
degradar la economía de un sistema no pronóstico “exacto” en una base horaria
está claro, pero la literatura técnica en períodos que van de un día a una
sugiere que este punto se encuentra con semana.



Estabilidad del Sistema Las grandes
Sistema: propiedades para su estabilidad
turbinas de viento tienen, en general, transitoria. La experiencia de la opera-
baja velocidad, con largas aspas ción con parques eólicos en California,
acopladas a un generador mediante una confirma que los transitorios debido a
caja de engranajes multiplicadora de fluctuaciones de velocidad de las
velocidad, resultando por lo tanto una turbinas así como a perturbaciones en la
turbina de gran inercia y baja tensión red, no han resultado en problemas de
mecánica entre turbina y generador, lo estabilidad del sistema.
que da a este tipo de turbinas excelentes

Estudios de Planificación
Realizan el modelado apropiado y la impactarán estos cambios en la opera-
valoración de las fuentes intermitentes ción del sistema, durante condiciones de
comparadas con la convencionales. Se demanda mínima. La capacidad que
necesitan de modelos que puedan tendrá un sistema de integrar más
reflejar las variaciones horarias e generación eólica dependerá de la
intrahorarias de la carga y la potencia exactitud de los modelos usados en el
eólica, para conocer luego cómo pronóstico y en la operación.

Test de Calidad de Potencia
Aunque la generación eólica está trándose disponible al público tan sólo
creciendo en capacidad y diversificán- información general. Actualmente no
dose por todo el mundo, todavía no hay hay una sóla práctica recomendada. En
normas definitivas sobre la calidad de US la práctica común requiere adherirse
potencia de las turbinas eólicas o a la IEEE-519.
granjas de viento. Las cuatro características concernientes
Últimamente, se están requiriendo tests a la calidad de potencia de las turbinas
de calidad de potencia como parte del eólicas se refieren a :
proceso de certificación de las turbinas. 1.- Potencia de la Turbina.
Los tests, miden el impacto que resulta
de cargar un dispositivo eléctrico sobre 2.- Requerimientos de Potencia Reactiva.
la tensión en el punto de interconexión 3.- Variaciones de Tensión o Flicker.
con la red. La importancia de su realiza- 4.- Emisiones de Armónicas.
ción crece en la medida que se incre-
1.- Potencia
mentan las turbinas eólicas conectadas.
Tiene importancia para dimensionar la
La norma está siendo completada (IEC
conexión de la turbina a la red.
Standard 61400-21, International
Electrotechnique Committee), encon- Hay distinciones entre la potencia de



referencia (determinada por un cálculo potencia activa constante durante
de potencia promedio en 10minutos), períodos largos de tiempo, se debe
potencia máxima continua (definida informar de los requerimientos de
como la máxima potencia que el sistema reactivo correlacionando la potencia
de control de una turbina puede mante- activa con la reactiva. La mayoría de los
ner) y potencia aparente instantánea generadores eólicos son asincrónicos,
máxima. Típicamente la potencia de así que casi todos las unidades vienen
referencia ha sido definida como la equipadas con compensadores a los
potencia de placa del generador. que también deben realizarse medicio-
Una turbina tiene un amplio rango de nes. Las nuevas turbinas usan variadores
operación donde la potencia varía electrónicos de velocidad que pueden
aproximadamente con el cubo de la producir o consumir reactivo de acuerdo
velocidad del viento hasta que los con la estrategia de operación.
controles limitan su salida. Muchas 3.- Variaciones de Tensión o Flicker
turbinas tienen gráficos que dan la Las fluctuaciones de tensión, que tienen
potencia de salida en función de la una frecuencia de variación entre 0.5 y
velocidad del viento, pero varían su 25 Hz y que causan variaciones visibles
forma debido a los cambios de vientos en la iluminación doméstica, se denomi-
en el plano del rotor. La técnica apropia- na flicker. Este flicker ha sido muy
da para evaluar la potencia de placa es estudiado en Europa, incluyendo
encontrar el valor máximo de la curva de esfuerzos en adaptar las técnicas de
potencia siguiendo el procedimiento de estimación del flicker a las características
la IEC. de los generadores eólicos.
2.- Requerimientos de Potencia Reactiva Hay procedimientos como el de la IEEE-
La determinación, adecuada, de las 519 o el de la IEC para el estudio de
características de potencia reactiva del estas fluctuaciones, pero nada todavía
generador eólico, permitirá planificar el está finalizado. En el IEC CD los cálculos
impacto de su inserción sobre la tensión de los coeficientes de flicker (referidos a
del sistema, en régimen permanente, las unidades de percepción, siendo el
dentro de un rango de diferentes valor 1.0 correspondiente al punto
velocidades de vientos. Hay un procedi- donde un promedio del 50% de las
miento que incluye la estimación, de personas se vuelve irritable por el flicker
dicho impacto, sobre la tensión de la de una lámpara incandescente) se basan
red, estimando las impedancias del en la medición de la corriente de salida
sistema y las mediciones de la potencia de la turbina y en las condiciones
activa y reactiva de los generadores. teóricas de la red.
Como las turbinas no producen una



4.- Emisiones de Armónicas para evitar condiciones de resonancia
La emisión de armónicas de un genera- del sistema.
dor, debe ser controlada para prevenir Hay diferentes procedimientos para su
un excesivo calentamiento en el equipo cálculo como los que señalan el IEC CD
de potencia de la distribución eléctrica y y el IEEE-519.

Consideraciones para un Proyecto Eólico
Las granjas de viento y su integración al carga, entonces, las variaciones de
sistema eléctrico conllevan múltiples tensión a plena carga son mayores que a
aspectos para ser considerados. Uno de carga parcial. Las variaciones de
ellos es el impacto sobre la calidad de potencia activa son algo más pequeñas
tensión en el punto de conexión. El que las de tensión.
aumento del tamaño de las granjas y de La frecuencia de variación de la potencia
la potencia eólica que se inyecta a un y la tensión es mayor en plena carga que
sistema, debe llevar al análisis de las en carga parcial. En las granjas eólicas
variaciones que suceden en el mismo estas variaciones de alta frecuencia
cuando hay cambios en los vientos (causadas por la alta frecuencia del
(intermitencia y variabilidad). También se viento aleatorio que tiene bajo conteni-
tienen que tener en cuenta las corrientes do energético del viento) están en alto
de magnetización, las armónicas y el grado suavizadas. El principal impacto
nivel de corto circuito. sobre la calidad de tensión de la red se
Durante fallas en la red, la tensión y la da durante carga parcial debido a las
frecuencia se desviarán del rango de variaciones de baja frecuencia del
operación normal y debido al recierre de espectro de turbulencia que son más
interruptores, que es una práctica energéticas y mejor correlacionadas.
normal, se generarán grandes caídas de La producción de las centrales eólicas
tensión en las partes adyacentes de la depende de la naturaleza estocástica del
red durante cortos tiempos. viento, lo que origina problemas al
La impedancia de la red y el esquema de operador de la central. Dicho operador
compensación de potencia reactiva que realiza un contrato de venta de
determinará el signo de las variaciones energía durante períodos de viento
de tensión. variable debe ser multado si la potencia
La demanda de potencia reactiva del entregada diverge significativamente del
generador eólico es mayor a plena nivel especificado.



El Mercado Eólico en Dinamarca
De acuerdo con la Orden Ejecutiva misma es usada para otros propósitos
sobre conexión de turbinas a la red dentro de su área. El refuerzo necesario
eléctrica del año 1996, las empresas de de la red es pagada por la empresa de
distribución locales, están obligadas a potencia, a menos que la misma pueda
proveer un punto de conexión a la red, probar que dicho refuerzo es particular-
en cualquier sitio dentro de su área, a mente antieconómico. Los propietarios
generadores eólicos de por lo menos 1.5 de las turbinas eólicas son los que tienen
MW. En otros casos, las empresas están que pagar por el transformador que los
obligadas a permitir el libre acceso a la conectará a la red de 11 kV. Además se
red de 11-20 kV, pero el propietario de la debe pagar por el uso de los medidores
turbina es responsable del pago de la eléctricos.
extensión de línea para llegar al sitio de El consumo de potencia reactiva no se
emplazamiento. La empresa de poten- paga, pero las turbinas generalmente
cia, sin embargo, será la que se tiene tienen que tener un cierto grado de
que hacer cargo de la extensión si la compensación.

Estudios Ligados a los Proyectos Eólicos
La mayor desventaja de la generación de la generación es eólica.
eólica es su variabilidad. Parada y Arranque de una Turbina
Sin embargo, en los grandes sistemas La mayoría de los controladores electró-
eléctricos la demanda también varía, nicos de las turbinas eólicas están
por lo que se debe tener una cierta programados para permitir, a las
capacidad de reserva para cubrir la mismas, girar a bajas velocidades sin
salida de servicio del mayor generador. estar conectadas a la red (si se las
Si el sistema eléctrico puede manejar la conectara funcionarían como motor
situación de la variación de la demanda, tomando potencia activa de la red).
también puede, técnicamente, manejar Cuando el viento se vuelve suficiente-
la “demanda negativa” eólica. Cuanto mente intenso como para mover al rotor
mayor es la cantidad de turbinas de la a su velocidad nominal, se conecta el
granja, menor cantidad de ruido tendrá generador en el momento preciso. De
la potencia generada, ya que la fluctua- otra manera sólo se contará con la
ción de período corto de una turbina resistencia mecánica dada por la caja de
será compensada con la fluctuación de velocidad del generador, para prevenir
otra turbina. la aceleración y eventualmente una
En la parte oeste de Dinamarca durante sobrevelocidad (hay sistemas de
las ventosas noches de invierno, el 25 % seguridad por si se embala la máquina).



Arranque Suave de corta duración causarán variaciones
Si una gran turbina eólica se conecta al en la potencia de salida.
sistema mediante una llave normal, los Formación de Islas
vecinos podrán experimentar una Una isla eléctrica se forma cuando una
especie de caída y subida de luz (brow- parte del sistema eléctrico queda
nout) debido a la corriente de magneti- separada de la parte principal debido a,
zación requerida por el generador. Otro por ejemplo, la actuación de los inte-
efecto es el desgaste extra de la caja de rruptores luego de alguna contingencia.
velocidad. Para prevenir esta situación, Si las turbinas eólicas quedan funcio-
las turbinas eólicas modernas cuentan nando en esta isla y se restablece la
con un arranque suave que conectan y conexión a la red principal, surgirán
desconectan gradualmente al genera- corrientes muy altas en la red y en los
dor de la red mediante el uso de tiristo- generadores eólicos, lo que podría
res. Como los tiristores gastan entre el 1 causar una gran descarga de energía
y el 2 % de la energía que circula por sobre la parte mecánica de la turbina
ellos, se puede tener una llave mecánica (ejes, engranajes, rotor) equivalente a
de bypass que se activa después que la una conexión dura del generador a la
turbina arrancó. red.
Red Débil Por lo tanto, el controlador electrónico
Si una turbina se conecta a una red débil de la turbina deberá continuamente
pueden surgir problemas del tipo sensar la tensión y la frecuencia de la
brownout, por lo que será necesario red. En el caso que estos parámetros
reforzar la red. superen un cierto límite, durante una
Flicker fracción de segundos, la turbina deberá
ser desconectada de la red y parada
Este fenómeno puede ser relevante si inmediatamente (usando los frenos
una turbina eólica está conectada a una aerodinámicos).
red débil, ya que variaciones de vientos

Mediciones de Calidad de Potencia
En la mayoría de los casos, la potencia 4 Pueden ocurrir variaciones dinámicas
generada por una turbina eólica es de tensión, causando flicker.
suministrada a la red pública. Esta 4 Pueden ser inyectadas armónicas
potencia puede causar desviaciones (desviaciones de la forma de onda).
indeseables en la tensión de la red:
La calidad de la potencia eólica de una
4 Puede cambiar el nivel de tensión en turbina se enfoca en aquellas caracterís-
régimen estacionario. ticas de la turbina que influyen sobre la



tensión. La impedancia de la red juega 4 Variaciones de potencia entre 1 y 10
un rol importante. minutos
La calidad de potencia puede ser 4 Transitorios durante el arranque y
determinada mediante mediciones . En parada
el punto de conexión de la turbina se 4 Flicker
miden los siguientes parámetros:
4 Armónicas de tensión y corriente
4 Potencia activa y reactiva

Aspectos que se Necesitan Conocer para un Proyecto Eólico Integrado
Los distintos aspectos que una empresa 4 Requerimientos de interconexión con
de electricidad necesita conocer en la generación eólica.
cuanto a la integración con centrales 4 Impacto de la generación eólica sobre
eólicas, son los siguientes: la calidad de la potencia entregada a
4 Confiabilidad de las turbinas eólicas. la red.
4 Cómo crear un mercado sustentable 4 Apoyo técnico y financiero para las
para la energía eólica desde la actividades vinculadas con la estima-
perspectiva de una empresa de ción de los recursos eólicos.
potencia. 4 Mercado de potencia verde.
4 Desarrollo de técnicas de pronóstico 4 Generación distribuida.
preciso de los vientos en un período
4 Aceptación pública.
de 24 a 48 hs.


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