Revista de Divulgación Científico-Tecnológica del Gobierno del Estado de Morelos

Aerogeneradores en la era de la energía eólica en México

Aerogeneradores

Dr. Raúl Garduño Ramírez / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Instituto de Investigaciones Eléctricas
Archivo: Energías Alternativas

La mayoría de las unidades generadoras de energía eléctrica en el mundo utilizan combustibles fósiles o gas natural. Sin embargo, estudios recientes confirman que el combustible fósil y el gas natural disponibles en el mundo se acabarán muy pronto. Esta situación podría causar grandes problemas de abastecimiento de energía eléctrica en el mundo en las siguientes décadas.
La generación de energía eléctrica a partir de la energía del viento es una alternativa viable para satisfacer buena parte de la necesidad de energía eléctrica en el mundo, con las siguientes ventajas: 1) Es energía limpia que no produce gases tóxicos que contribuyen al calentamiento global, y 2) La fuente de energía se renueva constantemente y no tiene costo. Desafortunadamente, la energía eoloeléctrica es todavía inferior al 1% de la producción de energía eléctrica mundial.
En 2010 se estimó que el potencial de energía eólica en México es de 71,000 MW, el cual podría ser aprovechado para generar toda la energía eléctrica requerida en el país. El mayor potencial eólico se concentra en el estado de Oaxaca y se estima en 33,200 MW en la zona del Istmo de Tehuantepec, que es una de las zonas con mejores condiciones eólicas a nivel mundial. Actualmente, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) tiene dos parques eólicos en funcionamiento: 1) Guerrero Negro en Baja California Sur, y 2) La Venta en Oaxaca con una capacidad instalada 86 MW.
Aerogeneradores
Un aerogenerador es una máquina formada principalmente por una turbina eólica y un generador eléctrico. La turbina eólica transforma la energía cinética del viento en energía mecánica rotacional, la cual es transformada en energía eléctrica por el generador. Una de las tecnologías de aerogeneradores más utilizadas actualmente emplea un generador de inducción doblemente alimentado. Este tipo de aerogeneradores están instalados en el parque eólico de La Venta.
           Estos aerogeneradores constan de una turbina eólica tripala de eje horizontal con capacidad de operación a velocidad variable, una caja de engranes multiplicadora de velocidad, un generador eléctrico asíncrono de inducción doblemente alimentado y de rotor devanado, un convertidor electrónico de frecuencia de potencia parcial y un transformador elevador para la conexión a la red eléctrica.
Aerogeneradores
En general, la energía cinética del viento es capturada por las aspas de la turbina y es transformada en energía mecánica rotacional de baja velocidad. La energía mecánica se transfiere mediante la caja de engranes a una velocidad más alta al generador eléctrico para ser transformada en energía eléctrica, la cual estará disponible en los devanados del estator y del rotor del generador. La energía producida por el estator tiene la frecuencia de la red eléctrica (60 Hz) y la producida por el rotor tiene frecuencia variable dependiendo de la velocidad del viento. La energía eléctrica de frecuencia variable es convertida a la frecuencia de la red eléctrica por el convertidor electrónico. Finalmente, ambos flujos de potencia se suman y son aportados a la red eléctrica a través del transformador de potencia.
           La operación, eficiencia e integridad física de un aerogenerador dependen en amplia medida del sistema de control, el cual constituye el cerebro de la máquina para que esta realice sus funciones de la manera más autónoma posible. Básicamente, se requiere que el sistema de control se encargue de orientar el aerogenerador a la dirección del viento y de posicionar las aspas para capturar la energía del viento. También debe encargarse de orquestar la operación del generador y del convertidor para que fluya la energía eléctrica producida. En términos generales, el sistema de control físicamente comprende los elementos de medición o sensores, los sistemas digitales de cómputo o controladores, los elementos acción o actuadores y los sistemas digitales de operación o interfaces humano-máquina. Funcionalmente, el sistema de control realiza las tareas de medición de variables físicas, protección de los equipos, regulación de variables analógicas, secuenciamiento de las maniobras de operación, supervisión de condiciones de operación, e interacción con el operador. El desarrollo de sistemas de control eficaces y de altas prestaciones es un requerimiento indispensable para producir aerogeneradores con tecnología nacional que sean innovadores y competitivos internacionalmente.
La Gerencia de Control, Electrónica y Comunicaciones del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) cuenta con un grupo de investigación enfocado al desarrollo de sistemas de control para aerogeneradores.
          Este grupo terminó en diciembre del 2010 un proyecto para la CFE en el que se monitoreó durante más de un año la operación de un aerogenerador de 850 kW en la Central Eoloeléctrica La Venta, en la región de la Ventosa en el Istmo de Tehuantepec, Oaxaca. El objetivo del proyecto fue recabar información de las variables que caracterizan el comportamiento de la máquina y que permiten establecer las condiciones de operación que pueden dar origen a fallas en los equipos, así como la identificación de las estrategias del sistema de control. Se instrumentó un aerogenerador para medir las variables, se instalaron dos sistemas de adquisición de datos y se equipó para transmitir la información recabada hasta las instalaciones del IIE en Cuernavaca, Morelos. Con los resultados de este proyecto la CFE podrá mejorar sus prácticas operativas y de mantenimiento para obtener mayores beneficios técnicos, económicos y ambientales del parque eólico.
Actualmente, este grupo de investigadores está desarrollando el sistema de control para un aerogenerador de 1.2 MW con financiamiento del CONACyT. Adicionalmente, el grupo cuenta con una amplia gama de capacidades técnicas entre las que se encuentran las siguientes. Monitoreo y diagnóstico de la operación de aerogeneradores. Especificación de equipos, sensores y actuadores e integración de sistemas de control. Diseño y desarrollo de interfaces de operación (IHM) de aerogeneradores. Diseño de estrategias de control retroalimentado y secuencial de aerogeneradores. Diseño y supervisión técnica de pruebas de aceptación en fábrica (FAT), instalación, pruebas de aceptación en sitio (SAT) y puesta en servicio de sistemas de control. Cursos de capacitación de operación y mantenimiento del sistema de control. Modelado y simulación de aerogeneradores para desarrollo de sistemas de control.
        En este proyecto trabajan como colaboradores el Marino Sánchez Parra, doctor en Ingeniería por la UNAM (msanchez @iie.org.mx), el M.C. Arnulfo Rodríguez Martínez, por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) ( Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.). El M.C. Miguel Ángel Martínez Morales, también por el CENIDET ( Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.). La M.C Ma. Aurora Hernández Cuellar, por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) ( Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.), Roberto Hernández González, ingeniero por la UNAM ( Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.). Víctor Re López, ingeniero por la Universidad de las Américas (UDLA) ( Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.) e Indira Xochiquetzal Alcaide Godínez, ingeniera por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM) ( Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.).

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Semblanza


Raúl Garduño Ramírez es ingeniero electricista egresado de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional (IPN), México en 1984; maestro en Ingeniería Eléctrica por el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN en 1987, se especializó en robótica por el Laboratorio Nacional de Ingeniería Mecánica en Japón y Ph.D. por la Pennsylvania State University.