Simulação e Metodologia de Parque Eólico

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INSTITUTO TECNOLOGICO Y DE ESTUDIOS 
SUPERIORES DE MONTERREY 
CAMPUS CIUDAD DE MÉXICO 
ESCUELA DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECATRÓNICA 
SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE GENERACIÓN ELÉCTRICA 
UTILIZANDO ENERGÍA EÓLICA 
México, D.F. 
SALVADOR DURÁN MARÍN 
FERNANDO QUESADA MONTES DE OCA 
MIGUEL RODRÍGUEZ CASILLAS 
Asesor: Dr. Ricardo Fernández del Busto y Ezeta 
Mayo 2010 
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CONTENIDO 
AGRADECIMIENTOS 
INTRODUCCIÓN 
2 
3 
l. SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE UN GENERADOR 
EÓLICO 
~. , · <i.11JM"\>ouc~1óN '• •. ·-._t....,.2.¡Q,T. 
1.3 FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA EÓLICA 
:''\ . ·fl ':-6... • .... A, .. AJ·f~UEMAS DE CONTROL 
~~ANCES 
1.6 MODELADO Y SIMULACIÓN DE UN GENERADOR EÓLICO 
1.6.1 MODELO DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO 
1.6.2 MODELO DEL ROTOR 
1.6.3 MODELO DE LA FLECHA 
1.6.4 MODELO DEL GENERADOR ELÉCTRICO 
1.6.5 MODELO DEL GENERADOR INDUCIDO 
1.6.6 PROBLEMÁTICAS AL CONECTAR A LA RED ELÉCTRICA 
2. METODOLOGÍA PARA EL DESARROLLO DE UN PROYECTO DE 
CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN PARQUE EÓLICO 
2.1 ESTADO DEL ARTE 
2.2 OPERACIONES PRINCIPALES EN LA ENERGÍA EÓLICA 
2.3 INGENIERÍA DE PROCESO Y NORMA TIVIDAD 
2.4 COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD 
2.4.1 CAUDAD EN LA ENERGÍA 
2.5 PATENTES 
2.6TAMAÑODEL PARQUE EÓLICO 
2.7 DISTRIBUCIÓN DEL PARQUE EÓLICO 
2. 7.1 CONDICIONES DEL VIENTO 
4 
39 
4 
10 
12 
16 
19 
22 
22 
25 
28 
31 
33 
36 
39 
43 
45 
so 
54 
62 
63 
64 
64 
2.7.2 MODELO DE LA VELOCIDAD EN FUNCIÓN DE LA ALTURA 
2. 7.3 FACTORES QUE AFECTAN LA UBICACIÓN DE TURBINAS 
2.7.4 ESPACIAMIENTO DE TURBINAS EÓLICAS 
2. 7.5 EFICIENCIA AERODINÁMICA DEL ARREGLO 
2.8 CONEXIÓN A LA RED 
2.8.1 CABLEADO INTERNO 
2.9COSTOS 
CONCLUSIONES 
REFERENCIAS 
APÉNDICE A 
APÉNDICEB 
APÉNDICEC 
65 
66 
69 
70 
73 
73 
75 
79 
82 
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90 
91 
98 
INTRODUCCIÓN 
Este proyecto nació de la preocupación por la escasez de recursos energéticos y ahorro 
de energía en el mundo, y especialmente en el país. De dicha problemática surgió el interés 
por la investigación en relación a esa área, y específicamente en lo relevante a las energías 
renovables. La energía eólica como fuente renovable tiene mucho potencial alrededor del 
mundo, y sobre todo en algunos puntos específicos del país; y aunque en la última década se 
ha repuntado el desarrollo de este tipo de energías, aún falta mucho por hacer y lograr. En 
México existen algunas zonas que tienen un potencial eólico que se podría aprovechar para la 
generación de energía eléctrica, pero que por alguna razón u otra se ha quedado estancado y 
no se ha avanzado mucho en la utilización de este recurso tan importante y tan limpio, y sobre 
todo, inagotable. 
Una de las problemáticas que se pretende atacar es la interconexión de un parque eólico a la 
red eléctrica de manera que la potencia entregada sea la más adecuada, para lograr desarrollar 
sistemas que hagan que la energía eólica sea más aprovechable y recurrida. 
Otra problemática que se toma en cuenta, es la falta de una estandarización en el país para la 
construcción y puesta en marcha de un parque eólico, por lo que se decidió colaborar en un 
proyecto para el desarrollo de la parte técnica de un plan de negocios con el mismo giro. 
Así entonces, el proyecto se dividió en dos capítulos: la simulación del comportamiento 
dinámico de una granja eólica de generación eléctrica, y una metodología para el desarrollo de 
un proyecto de construcción y puesta en marcha de un parque eólico. 
El objetivo de la primera parte es el modelado de los componentes principales de un 
aerogenerador (viento, rotor, flecha, diferentes tipos de generadores, control), para proceder al 
acoplamiento de dichas partes, y en un futuro lograr conectar varios aerogeneradores a un 
modelo de una red eléctrica. 
El objetivo de la segunda etapa del proyecto es establecer una metodología para el desarrollo 
de un proyecto de construcción y puesta en marcha de un parque eólico, considerando la 
perspectiva de la energía en el mundo, el estado actual de la investigación y desarrollo de los 
generadores eólicos, la situación en México, los pasos a seguir para la construcción y puesta 
en marcha de un parque eólico, y la normatividad que se debe cumplir en México. 
La motivación de involucrarnos en el desarrollo de la metodología radica en que generalmente 
los proyectos de ingeniería en el campus se enfocan al desarrollo físico e implementación de 
los distintos proyectos, y al surgir la oportunidad de trabajar en una parte menos técnica, pero 
igualmente importante, nos pareció que sería algo que no podíamos dejar pasar ya que se le 
daría un enfoque distinto al que suelen tener los proyectos, teniendo resultados más tangibles 
y realistas que se pueden aplicar a gran escala en el desarrollo del proyecto, en este caso, de la 
construcción y puesta en marcha de un parque eólico. 
3 
l. SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE 
UN GENERADOR EÓLICO 
1.1 INTRODUCCIÓN 
El calentamiento global expondrá a muchos millones de habitantes a los riesgos de 
hambre, sequía, inundaciones, huracanes, epidemias como la malaria y producirá pérdidas 
irreversibles de especies. 
Formas de energía limpia y renovable, como la energía eólica, son esenciales si nosotros 
queremos detener el cambio climático. Las energías renovables son vitales para poner fin a la 
amenaza nuclear que deja como legado desechos nucleares que permanecerán como una 
amenaza a nuestra salud y para el medio ambiente durante cientos o miles de años. 
¿Por qué el viento? 
• Es una fuente de energía limpia. El poder del viento no produce desechos peligrosos, 
ni contribuye a recalentamiento global. 
• Es abundante, fiable y limpia. México cuenta con uno de los recursos eólicos más 
importantes a nivel mundial en tierra, esto es en el Istmo de Tehuantepec. La energía 
eólica del Istmo de Tehuantepec podría suministramos un 7% de las necesidades de 
energía eléctrica a nivel nacional. Para el futuro está desarrollándose la tecnología para 
almacenar el poder del viento como hidrógeno, que puede usarse para impulsar las 
células de combustible en las estaciones de potencia y en los vehículos. Es un tipo de 
energía renovable ya que tiene su origen en procesos atmosféricos debidos a la energía 
que llega a la Tierra procedente del Sol. 
• Es una energía limpia ya que no produce emisiones atmosféricas m residuos 
contaminantes. 
• No requiere una combustión que produzca dióxido de carbono (CO2), por lo que no 
contribuye al incremento del efecto invernadero ni al cambio climático. 
• Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines, por ejemplo en zonas desérticas, 
próximas a la costa, en laderas áridas y muy empinadas para ser cultivables. 
• Puede convivir con otros usos del suelo, por ejemplo prados para uso ganadero o 
cultivos bajos como trigo, maíz, patatas, remolacha, etc. 
• Su instalación es rápida, entre 6 meses y un año. Granjas de l0MW pueden construirse 
incluso en 2 meses. 
• Su inclusión en un sistema ínter ligado permite, cuando las condiciones del viento son 
adecuadas, ahorrar combustible en las centrales térmicas y/o agua en los embalses de 
las centrales hidroeléctricas. 
4 
• Su utilización combinada con otros tipos de energía, habitualmente la solar, permite la 
auto alimentación de viviendas, terminando así con la necesidad de conectarse a redes 
de suministro, pudiendo lograrse autonomías superiores a las 82 horas, sin 
alimentación desde ninguno de los 2 sistemas. 
• Es económica. Dados los actuales altos costos del gas y del petróleo, será más 
económica la generación de electricidad mediante el poder del viento. 
• Funciona. Dinamarca ya consigue 20% de su electricidad del poder del viento. 
• Crea empleos. La región del Istmo de Tehuantepec representa cerca del 93 por ciento 
de la meta establecida para el año 2012 (2,500 MW con energía eólica) y recibirá una 
inversión aproximadade 60 mil millones de pesos. 
• Es segura. A diferencia de otras tecnologías, los parques eólicos no son instalaciones 
que tengan un alto impacto en su entorno, sin embargo, dicho impacto no es nulo. 
Impacto Ambiental 
Comparado con los efectos ambientales de la generación de electricidad media, el impacto 
medioambiental durante el ciclo de vida de 20-25 años de un aerogenerador es mínimo. Los 
aspectos a considerar como impactos negativos al medio ambiente pueden ser: contaminación 
auditiva, contaminación visual, uso de suelo, mortandad de aves. 
Impacto causado por la construcción: 
El ciclo de vida de un aerogenerador es de aproximadamente 25 años, al iniciar y al finalizar 
ese periodo se debe considerar el siguiente proceso: 
• Producción de materias primas 
• Fabricación de componentes 
• Producción de energía por el aerogenerador 
• Desmantelamiento del aerogenerador 
Vertedero/Incineración 
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Desperdidos 
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Figura l. Instalación de un aerogenerador. 
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renovable 
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5 
La producción de materias primas para el aerogenerador y la fabricación del aerogenerador 
tienen un impacto negativo sobre el medioambiente. Por otro lado, la producción de energía 
por parte del aerogenerador y el hecho de que un alto porcentaje del mismo sea reciclable 
(80% de un aerógenerador terrestre con una torre de 80 metros) tienen un impacto positivo 
sobre el medioambiente. 
Desde la perspectiva energética podemos considerar que, un aerogenerador marino se 
amortiz.a más de 35 veces durante su vida útil. Esto significa que un aerogenerador marino 
común en una buena ubicación producirá aproximadamente 284.600 MWh a lo largo de 20 
años. Con un consumo energético anual medio de 3,360 kWh 1 para un hogar medio, 284,600 
MWh corresponden al consumo eléctrico anual de 84,000 hogares. 
Existe también el impacto causado durante la instalación de estos parques eólicos, ya que 
deben ser consideradas grandes extensiones de terreno, arriesgando así la flora y la fauna de 
éstas áreas. Cuando se desea crear un parque eólico, normalmente se recomienda elaborar un 
estudio medioambiental inicial del parque. En varios países, tales como Reino Unido, 
Dinamarca y Australia, se trata de un requisito legal. Dependiendo del proyecto2, la 
evaluación ambiental incluye generalmente: 
• Paisaje e impresiones visuales 
• Flora y fauna 
• Ruido 
• Sombras 
• Aves 
Si el estudio ambiental determina que el parque eólico tendrá un impacto inaceptable sobre el 
medio ambiente, una posibilidad es adaptar el lugar antes de instalar el parque. 
Ruido 
Existen dos principales tipos de ruido emitidos por las turbinas del aerogenerador: 
• Ruido aerodinámico, ocasionado por el pasaje del aire a través de las aspas; 
• Ruido mecánico, proveniente de todas las otras partes que se mueven. 
La mayoría de las quejas sobre el ruido generado por las turbinas eólicas se deben al ruido 
mecánico. A pesar de esto, si la turbina es moderna y está bien emplazada no deberían 
registrarse quejas sobre el ruido generado. 
Hasta ahora, muchos de los problemas ocurridos por el ruido generado por las turbinas se 
debieron a poco énfasis en la etapa de diseño de las turbinas a lograr turbinas con bajas 
emisiones de ruido. También existieron casos donde los problemas ocurrieron porque las 
granjas eólicas fueron construidas en poco tiempo, sin prestar la debida atención al ruido y 
porque no fueron sujetas a pruebas intensivas previas a su puesta en funcionamiento. En 
muchos casos, estos ruidos pueden ser minimizados mediante la puesta en práctica de 
1 Estadísticas de Energía [Energistatistik 2004), publicadas por la Autoridad Danesa de la Energía 
[Energistyrelsen] 
2Análisis de Vida útil. Acceso: http://www.vestas.com/es/vestas/sostenibilidad/aerogeneradores-y-medio-
ambiente/análisis-de-vida-útil-(lca).aspx. Consultado el 8 de septiembre de 2009 
6 
medidas retroactivas. Las turbinas más modernas tienen criterios de construcción y diseño 
para evitar estos problemas. 
El ruido, también varía según la topografía donde esté construido el parque eólico, por 
ejemplo, si los aerogeneradores o turbinas de aire estuvieran situados en las partes más 
elevadas de una montaña en la que existen asentamientos humanos en la dirección del viento. 
Hay muchos países que ya desarrollaron legislación con límites al ruido generado por las 
turbinas eólicas, lo que asegura impactos mínimos en los pobladores de la zona. Existe 
software que permiten generar modelos de la dispersión del ruido, y son una muy buena 
herramienta para alcanzar los límites de ruido que impone la legislación, en los países 
desarrollados que ya la implementaron. 
Resumiendo, las granjas eólicas pueden construirse con criterios para no generar un gran 
impacto ambiental ocasionado por el ruido, teniendo en cuenta algunos aspectos: 
• Los aerogeneradores deben estar emplazados a suficiente distancia de los 
asentamientos humanos. 
• Las turbinas deben ser diseñadas, manufacturadas y montadas, teniendo en cuenta 
criterios de minimización del ruido. 
• Los niveles de ruido deben ser controlados por legislación estatal que controle y ponga 
límites alcanzables a estos niveles de ruido. 
• El emplazamiento apropiado (alejado de zonas con alta densidad poblacional y con 
características topográficas particulares) debe ser considerado por las personas que 
promueven el proyecto pero debe ser controlado por las autoridades estatales que se 
dedican a la determinación de la zonificación y los diferentes usos del suelo. 
Contaminación Visual 
El impacto visual de las granjas eólicas, es el más controversia! y el más difícilmente 
cuantificable problema ambiental generado por los emprendimientos dedicados a la 
generación de energía basado en el aprovechamiento de la energía del viento. El principal 
efecto visual es la presencia física de los aerogeneradores, esto depende de varios factores: 
• El tamaño físico de la turbina ( esto determina la zona de la influencia visual) 
• La distancia entre la turbina y el observador, el impacto visual es mínimo a distancias 
mayores de 6 km. 
• El número, el diseño y la disposición espacial de las turbinas dentro de la granja 
eólica. 
• Densidad de población nativa o indígena en la zona de influencia visual de la granja 
eólica. Esto se debe a que el estilo de vida de estas poblaciones en mayor armonía con 
el entorno hace que detecten más fácilmente cualquier modificación visual 
antropogénica. 
• El tipo de paisaje y la posibilidad de elección de diferentes áreas, como aquellas que 
ya están degradadas visualmente y las que se mantienen prístinas. 
7 
Figura 2. Contaminación visual causada por aerogeneradores. 
Uso del suelo y daños al hábitat 
Las granjas eólicas usan el suelo no muy intensivamente (aproximadamente 6 
hectáreas/ GWh/ año). Actualmente cada turbina ocupa 40 m2, por lo que sumando el área 
utilizada por las turbinas, más los caminos de acceso, más algunos otros edificios solamente 
se ocupa el 1 % de la superficie total de la granja. Esto hace que la superficie que resta entre 
las turbinas pueda ser utilizada para otros usos por ejemplo: agricultura o cría de animales. 
Mortandad de A ves 
Las turbinas pueden modificar el normal comportamiento de las aves, también pueden 
causar la mortalidad de las mismas por colisiones contra las aspas rotantes. La mayoría de los 
estudios demuestra que ocasionan un efecto despreciable sobre las colonias de aves no 
migratorias o "sedentarias". Pero sí ocasionan un impacto importante sobre las especies de 
aves que son migratorias, este impacto se puede solucionar durante la planeación, 
considerando siempre las rutas migratorias para, de esta manera, no colocar turbinas en éstas 
áreas. 
Perspectivas 
El contador perpetuo establecido por la Comunidad Europea de Energía Eólica 
(EWEA) alcanzó un récord al registrar que la energía eólica generada en Europa, desde el 1 
deenero de 2009 asciende a más de 100 GWh. 
Un equipo de ingenieros de la Universidad de Zaragoza considera que es "técnicamente viable 
y económicamente razonable" para la energía eólica, generar el 30% de la producción total de 
energía de España. Un informe de dos investigadores de la Universidad de Alcalá (UAH) y la 
Comunidad Europea de Energía Eólica (EWEA), en tanto, dice que el número de empleos 
generados por este sector en la Unión Europea ha aumentado en un 226% desde 2003. 
General Electric consiguió un acuerdo con Czech Energy Group, para instsalar en Rumania 
un proyecto de $1.6 mil millones, y se estima que tendrá una capacidad de 600 MW eólicos. 
Gamesa Corporación Tecnológica ha firmado dos nuevos acuerdos con la empresa Ene/ 
8 
Unión Fenosa Renovables para el suministro de veintiséis turbinas de viento Gamesa G87-2.0 
MW de, lo que supondría la instalación de una potencia total de 52 MW. 
A finales de 2007, la capacidad mundial de los generadores eólicos fue de 94.1 GW. Que 
representa alrededor del 1 % del consumo de electricidad mundial. Así mismo, la energía 
eólica cubrió alrededor del 19% de la producción eléctrica en Dinamarca, 9 % en España y 
Portugal, y un 6% en Alemania e Irlanda ( datos del 2007). 
En 2005, China anunció que iba a construir un parque eólico de 1,000 MW en Hebei para la 
terminación en 2020. China ha fijado una meta de generación de 20,000 MW en 2020 a partir 
de fuentes de energía renovables. A raíz de la Conferencia Mundial de Energía Eólica, en 
noviembre de 2004, organizado por la china y la Asociación Mundial de Energía Eólica, una 
ley de energías renovables de China fue adoptada. A finales de 2005, el gobierno chino 
aumentó la meta oficial de la energía eólica para el año 2020 de 20 GW a 30 GW. 
La capacidad mundial de energía eólica creció un 28,8% el año antepasado para llegar a un 
total global de instalaciones de más de 120,8 GW a finales de 2008, según el Consejo 
Mundial de Energía Eólica (GWEC). Más de 27 GW de nueva capacidad de generación de 
energía eólica se puso en línea en 2008, un 36% más que en 2007. 
México 
El presidente de la República Mexicana, Felipe Calderón, recientemente inauguró lo 
que se describe como el mayor parque eólico en América Latina. La primera fase del parque 
eólico Eurus en Oaxaca ha sido inaugurada. El nuevo proyecto de$ 550 millones de dólares 
se ubica en La Ventosa, en una propiedad que abarca 2.500 hectáreas, arrendadas en el Ejido 
La Venta en el Istmo de Tehuantepec. En este momento, 37,5 MW ya están en marcha en el 
parque y está previsto que la instalación entre en funcionamiento durante el cuarto trimestre 
de 2009. 
Acciona Energy realiza la construcción del parque eólico de 250,5 MW en Oaxaca, cuya 
energía será comprada por la empresa cementera mexicana Cemex para su propio uso. El 
parque, llamado Eurus, representa una inversión de 550 millones de dólares ( 427 millones de 
euros) y será el más grande de América Latina en términos de potencia instalada. Eurus es un 
proyecto de auto-suministro que constará con 167 aerogeneradores de 1,5 MW cada uno, 
empleando tecnología ACCIONA Windpower. 
La energía generada en el parque eólico Eurus sería suficiente para cubrir las necesidades 
energéticas de una ciudad de 500,000 personas y evitará la emisión equivalente a 600,000 
toneladas de CO2 al año. 
Según la Secretaría de Energía, el gobierno está planeando una serie de proyectos de energía 
eólica que en 2012 debería generar 2,500 MW de electricidad. "La intensidad del viento en 
diversas partes del país puede hacer que nuestras plantas se encuentren entre las más 
eficientes del mundo". CFE realizó un estudio para estimar el potencial eólico en las zonas 
más importantes del país en cuanto a recurso eólico se refiere. A continuación se ofrecen los 
resultados: 
9 
Zon.9 RtQlol, C.PHtct.d.l..._. 
Sur del Istmo de Tehuantepec• 2.000 MW_- 3,000 MW 1 
Baja C~lif<>mi~ sur* 1.500 f.AW- 2,500 MW 
Penlnsuíade Yucatán 1,000 MW- 2,000 MW 
Costa. del Pacifico 1,000 MW- t 50ó MW 
Golfode.MéXlco 1,000 MW--1.500 MW 
• Estudios hecho$ por /a' CFE. 
Tabla l. Potencial eólico estimado en México3 
1.2 HISTORIA 
La referencia más antigua que se tiene es un molino de viento que que usado para 
hacer funcionar un órgano en el siglo 1, lo cual era común. Los primeros molinos de uso 
práctico Fueron construidos en Sistán, Afganistán, en el siglo VII. Estos fueron los molinos de 
eje vertical con hojas rectangulares, usados para moler maíz o extraer agua. Posterionnente, 
los molinos de eje horizontal fueron usados extensamente en Europa Occidental para moler 
trigo desde la década de 1180 en adelante. Todavía existen molinos de esa clase, por ejemplo, 
en Holanda. 
En Estados Unidos, el desarrollo de molinos de bombeo, eran reconocibles por sus múltiples 
velas metálicas, y fueron el factor principal que permitió el progreso de la agricultura y la 
ganadería en vastas áreas de Norteamérica, Estos molinos contribuyeron a la expansión del 
ferrocarril alrededor del mundo, supliendo las necesidades de agua de las locomotoras de 
vapor. Las turbinas modernas fueron desarrolladas a comienzos de 1980, aunque siguen 
diseñándose nuevos modelos. 
En 2010, el World Wind Energy Association espera 160 GW de capacidad para ser instalado 
en todo el mundo, frente a los 73.9 GW a finales de 2006, lo que implica la previsión de una 
tasa de crecimiento neto de más del 21 % al año. Con una capacidad total de 74,904 MW de 
energía eólica, Europa representa el 65% (2006). La energía eólica es la fuente de energía de 
más rápido crecimiento a finales de 2004. La capacidad de generación eólica mundial creció 
en más de cuatro veces entre 2000 y 2006. El 81 % de instalaciones del rubro se encuentra en 
USA y Europa, pero la proporción de los cinco principales países en términos de las nuevas 
instalaciones se redujo de 71 % en 2004 a 62% en 2006. 
En los últimos años, los Estados Unidos han añadido más energía eólica para su red que 
cualquier otro país; su capacidad eólica creció un 45% llegando a los 16.8 GW en 2007. La 
generación de energía eólica en EUA subió 31.8% en febrero de 2007 a partir de febrero de 
2006. La producción promedio de un MW de energía eólica es equivalente al consumo 
promedio de 250 hogares estadounidenses. Según la American Wind Energy Association, el 
viento generaría suficiente electricidad en el 2008 para cubrir 4.5 millones de hogares (poco 
más del 1 % del total contra menos del 0.1 % en 1999). El Departamento de Estudios de 
Energía ha concluido que tan sólo tres de los cincuenta estados de EUA podrían proporcionar 
~ (Nacional financiera, 2009) 
10 
electricidad suficiente para alimentar a toda la nación, y que los parques eólicos en altamar 
podrían hacer el mismo trabajo. 
India ocupa el 4 º lugar en el mundo con una capacidad total de energía eólica de 6,270 MW 
en 2006. Con sede en India, Suzlon Energy es uno de los fabricantes de turbinas de viento más 
grande del mundo. 
En la actualidad, la energía eólica es la tecnología de generación de electricidad de mayor 
crecimiento a nivel mundial. La Figura 3 ilustra el crecimiento de la potencia eólica total 
instalada a nivel mundial y su proyección a 201 O, expresada en MW. 
Figura 3. Potencia eólica mundial instalada y predicción 1997-2010 (MW( (rnista de ingenieria Scielo) 
11 
Los 10 países con mayores instalaciones nuevas son: Estados Unidos con 5,200 MW nuevos, 
España con 3,500 MW, China con 3,300 MW, Alemania con 1,600 MW, Francia con 888 
MW, Italia con 603 MW, Reino Unido con 426 MW, Portugal 414 MW y Canadá con 380 
M W, otros 20 países aportaron cerca de 1,700 MW de nuevas instalaciones 
La Unión Europea tendrá instalados más de 75 GW en el 2010, de los cuales al menos 10 GW 
estarán instalados en el mar. El objetivo de la UE para el año 2020 es de tener instalados 180 
GW eólicos, lo cual implica un crecimiento continuado de 25% anual. Se espera, además, que 
para el 2020, el 12% del consumo de electricidadprovenga de la energía eólica para toda la 
Unión. 
La Figura 4 ilustra la evolución tecnológica de sistemas eólicos comerciales individuales entre 
1985 y 201 O. La figura indica el diámetro del rotor, la altura de torre y su potencia nominal. 
M•• 
y -- ~~~ Figura 4. Evolución tecnológica en sistemas eólicos (revista lle ingeniería SciELO) 
1.3 FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA EÓLICA 
Corno se muestra en la Figura 5, la producción de energía (potencia) de una turbina eólica, es 
una función de la velocidad del viento. La relación entre la velocidad del viento y la potencia 
es definida por una curva de potencia, la cual es única para cada modelo de turbina y en 
algunos casos es única dependiendo el lugar donde se encuentre la turbina. 
En general, las turbinas eólicas comienzan a producir energía cuando la velocidad del viento 
es de alrededor de 4 mis, alcanzan la potencia nominal a los 13 mis, y la potencia de paro es 
12 
de alrededor de 25 mis. La variabilidad en el viento causa que también varíe la producción de 
potencia en la turbina. 
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Figura 5. Velocidad del viento - potencia eléctrica 
La velocidad de arranque es la mínima velocidad del viento en la cual las aspas pueden 
comenzar a rotar y a generar potencia útil, normalmente entre 3 y 4 mis. 
La velocidad nominal es la velocidad mínima del viento con la cual la turbina eólica podrá 
generar su potencia nominal designada. Una turbina eólica de I O k W, por ejemplo, no 
generará 10 kW, hasta que la velocidad del viento alcance la velocidad nominal. Con 
velocidades del viento entre la velocidad de arranque y la velocidad nominal, la potencia de 
salida es el cubo de la velocidad del viento. 
A velocidades del viento muy altas, por 
ejemplo 25 mis, algunas turbinas eólicas cesan 
la producción de energía y se apagan. La 
velocidad del viento donde se apaga la turbina 
se llama velocidad de paro (velocidad de 
corte). Tener una velocidad de corte representa 
una herramienta de seguridad, la cual protege 
la turbina eólica de un posible daño. El 
apagado puede ocurrir de una o varias formas. 
En algunas máquinas el paro automático se 
activa con un sensor, otras inclinan las aspas 
para repeler el viento. La operación nonnal del 
generador se reanuda una vez que la velocidad 
del viento llega a niveles normales. 
Figura 6. Generador eólico horizontal. 
El rotor de la turbina es una de las partes más visibles en un sistema de energía eólica. 
Muchas turbinas eólicas fabricadas hoy en día son de eje horizontal con 2 o 3 aspas. El rotor 
principal cuenta con un eje paralelo al terreno y por consiguiente horizontal al viento, ver 
Figura 6. Para pequeños sistemas de energía eólica, los generadores eólicos verticales pueden 
ser una alternativa. Las turbinas verticales tienen un eje perpendicular al flujo del viento, ver 
Figura 7. Los pequeños sistemas de energía eólica están conformados por un rotor, un 
generador, una caja de engranes, góndola, un sistema de sujeción torre-góndola y algunos 
sistemas de control y protección. 
13 
Antes de nombrar y describir los componentes principales de un aerogenerador, cabe 
mencionar que, si bien los de eje horizontal son los más comunes y utilizados, existen también 
aerogeneradores de eje vertical. En la Figura 7 se muestra una turbina eólica de este tipo. 
Tienen la característica de ser mucho más silenciosas que las de eje horizontal y aprovechan. 
la energía cinética del viento sin necesidad de ir siguiendo la dirección predominant~ del . 
viento, es decir, no requieren de un sistema de orientación. Su desventaja respecto a las 
turbinas clásicas o de eje horizontal, es que son menos eficientes en la generación de energía 
eléctrica y producen menores cantidades de ésta. Por lo anterior no se consideraroQ. para este 
•' 
proyecto. 
Figura 7. Generador eólico vertical 
En la Figura 8 se muestra un diagrama con los componentes principales de una turbina eólica, 
que se explicarán a continuación . 
. 0 ,_,.,lt,pi~aoor.1 ~ 0 Sist,m;i óo rtlrlg«>tlón íi) SiStll!N •• Y~" ~o) 
(l) freoodo<fun Q S<>t>/Tl>óo.~!!é!Jco (O ,S.,t,m;¡t>J,Uuli<;<> 
Figura 8. Componentes principales de una turbina eólica (Acciona - Energia). 
14 
Rotor 
El rotor está integrado por aspas especialmente moldeadas. El rotor es usualmente 
hecho de componentes como fibra de carbono, reforzadas con plástico o madera. La cantidad 
de potencia que una turbina podrá producir es determinada primeramente por el diámetro de 
su rotor. El diámetro del rotor define su área de acción o barrido, o la cantidad de viento 
interceptada por la turbina. Las aspas son volteadas o inclinadas, con el viento para controlar 
la velocidad del rotor y evitar que gire en velocidades del viento que sean tanto muy altas 
como muy bajas para producir electricidad. 
Generador 
El generador transforma el movimiento de rotación de las aspas de una turbina de 
viento en electricidad. Adentro de este componente, bobinas o devanados giran dentro de un 
campo magnético para producir electricidad. Otros diseños de generadores producen tanto 
corriente alterna, como corriente directa, además de ser capaces de entregar en un rango 
amplio distintas potencias de salida. 
El nivel del generador o tamaño, depende del largo de las aspas de la turbina eólica: mientras 
más largas sean las aspas, más energía se generará. 
Caja de engranes 
Muchas turbinas (particularmente aquellas superiores a 1 O kW) usan una caja de 
engranes para acoplar la velocidad del rotor con la del generador. 
Góndola 
La góndola es un recubrimiento que protege la caja de engranes, el generador y otros 
componentes de los elementos externos. Esta puede ser incluso removida para efectos de 
mantenimiento. 
Sistema de conexión torre-góndola 
Este sistema alinea la turbina eólica con el viento. Algunas unidades pequeñas utilizan 
un sistema parecido que dirige el generador hacia el viento. Un mecanismo especial de 
liberación puede utilizar este sistema para girar a la turbina fuera de aquellos vientos fuertes y 
peligrosos. 
Torre 
La torre sujeta la turbina en el curso del viento y es por esto, una parte integral de un 
sistema de energía eólica. Las torres deben de ser capaces de soportar rayos, vientos extremos, 
granizo o nieve. Debido a que el viento se hace menos turbulento y aumenta su velocidad en 
relación a su altura con respecto a la tierra, incrementar la altura de la torre de l O a 50 m 
puede doblar la disponibilidad de energía eólica. 
Existen dos tipos diferentes de torres: auto-sostenibles (elevadas libremente) y sostenidas con 
algún objeto (como cables). Muchos sistemas caseros utilizan esta última. Este tipo de torres, 
las cuales son las menos caras, pueden ser construidas con tubos y cables que las sostengan. 
15 
Este tipo de torres pueden ser más fáciles de instalar, sin embargo a diferencia de las auto-
sostenibles, estas requieren de suficiente espacio para su colocación. 
Sistemas de protección y control 
Estos sistemas se integran desde interruptores, fusibles y reguladores para carga de 
baterías hasta sistemas computarizados para el control del giro de la turbina eólica. La 
sofisticación del sistema de control y protección varía dependiendo de la aplicación de la 
turbina eólica y el sistema de energía que soporta. 
1.4 ESQUEMAS DE CONTROL 
Para lograr una mayor eficiencia en la potencia que entregan las turbinas eólicas 
pueden existir varias soluciones, y una de ellas - probablemente la más fácil de implementar -
es utilizando un sistema de control que pueda realizar varias acciones correctivas al mismo 
tiempo, como: medir velocidad del viento, revisar el estado de los componentes del sistema, 
soltar el freno, rotar las palas sobre su eje longitudinal para que tengan un mayor o menor 
ángulo de ataque, etc. Sin alguna forma de control, ya sea mecánico,electrónico, o cualquier 
otro tipo, sería dificil producir energía eléctrica de una forma segura y eficiente. 
Antes de implementar o diseñar un sistema de control es importante definir los objetivos de 
dicho control. Los controladores de lazo cerrado deben tener un objetivo principal, aunque en 
ocasiones tienen varios objetivos prioritarios. Algunos de los objetivos de un controlador del 
ángulo de ataque, por ejemplo, pueden ser: 
• Regular el torque aerodinámico cuando la velocidad del viento supera las condiciones 
normales de operación 
• Minimizar picos en el torque de la transmisión mecánica 
• Evitar modificaciones excesivas en el ángulo de ataque 
• Minimizar cargas en la base de la torre controlando la vibración de la misma 
• Evitar intensificar cargas sobre la góndola y las palas 
Algunos de estos objetivos pueden en ocasiones interferir entre ellos, y por lo tanto afectar el 
funcionamiento correcto del controlador. Para esto se tiene que priorizar los objetivos 
principales e importantes, para poder lograr una mayor eficiencia en la generación de energía. 
Existen tres distintos niveles de operaciones de control, siendo los más importantes el de 
supervisión y el control dinámico. El control de supervisión monitorea la operación de la 
turbina y realiza secuencialmente acciones de control requeridas. El control dinámico actúa 
sobre la operación de la turbina en donde la dinámica afecta el resultado final, como cambiar 
el ángulo de ataque (pitch en inglés) de las palas en respuesta a vientos turbulentos o a un 
viento de baja velocidad, o modificar la orientación de la turbina para que siempre esté 
dirigida paralelamente a la dirección del viento (yaw en inglés). No está de más mencionar 
que en las turbinas eólicas se utiliza control de lazo cerrado, ya que así se obtiene la 
retroalimentación necesaria del proceso a controlar. 
Para entender mejor el sistema de control de lazo cerrado se puede tomar en cuenta la Figura 9 
en la que se esquematiza el diagrama de bloques del control del ángulo de ataque de las palas 
de la turbina eólica. 
16 
Error de 
posición, e(V Moml!Jltod<t 
las palas 
Torque 
eléctrico 
Dinámiea de motor 
yp~ 
Ángulo de 
&laque, Y,;('.(/ 
Figura 9. Ejemplo de control de 1am cerrado del control de ángulo de ataque (J.F. Manwel~ 2002) 
En este ejemplo, se manda primero la instrucción al controlador para posicionar la pala con un 
ángulo de ataque específico; el controlador recibe dicha instrucción y manda la señal 
correspondiente a un actuador a través de un amplificador de potencia. En la mayoría de los 
sistemas puede haber ciertos efectos secundarios que modifiquen el estado real, como en este 
caso sería el momento de inercia del giro de las palas, por lo que se instalan sensores que 
miden la posición exacta para retroalimentar al programa dicho estado, para que el 
controlador pueda realizar las acciones correctivas. 
Existen diversos esquemas de control que se pueden implementar, siendo los más comunes el 
control Proporcional-Integral (PI), y el Proporcional-Integral-Derivativo (PID). El control PI 
es mayormente utilizado en equipos y procesos por su alta efectividad. Este controlador se 
compone de la suma de dos términos principales: uno que es proporcional al error - la 
diferencia entre los valores deseados y los valores reales del sistema a controlar - y uno 
proporcional a la integral del mismo error. La función de la parte integral es eliminar el error 
en estado estacionario, así logrando que el sistema se encuentre en el estado deseado. Puede 
agregarse en ocasiones una parte derivativa, que actúa proporcionalmente sobre la razón de 
cambio del error para lograr un control PID. 
La ecuación diferencial que se utiliza para un controlador PID es la siguiente: 
v(t) = Kpe(t) + K1 f e(t)dt + K0 e(t) (1.4.1) 
donde Kp, K1 y Ko son las constantes de proporcionalidad, y e(t) es el error, o la diferencia 
entre el estado deseado y el estado real medido. En el control PI, la parte derivativa del 
control es igual a cero, por lo que sólo se consideran la parte proporcional, y la parte integral. 
En relación al control de lazo cerrado, se puede implementar utilizando distintas técnicas 
dependiendo el tipo de turbina eólica con la que se trabaja. Existe, por ejemplo, el control de 
turbinas con un generador de velocidad fija y ángulo de ataque regulado. Los principales 
elementos para el control de lazo cerrado de este tipo de turbina se muestran en la Figura IO, 
donde normalmente puede implementarse un controlador PI o PID. En este ejemplo se varía el 
ángulo de ataque de las palas de la turbina para mantener la potencia de salida en un valor 
fijo. Cuando la velocidad del viento cae, las palas se ajustan maximizando la eficiencia 
aerodinámica de la turbina para lograr generar la misma potencia; por el contrario, cuando la 
velocidad del viento aumenta, las aspas se giran hacia el otro sentido para mantener la 
potencia igual. Cuando se utiliza un generador de velocidad variable se hace posible controlar 
el torque de la carga en el generador directamente, de forma que al rotor de la turbina se le 
17 
permite variar en velocidad dentro de ciertos límites. Una ventaja considerable de los 
generadores de velocidad variable es que cuando se trabaja a velocidades del viento inferiores 
a las normales de operación, la velocidad del rotor puede ajustarse proporcionalmente a la 
velocidad del viento para que la máxima eficiencia se mantenga. 
Viento 
Turbina 
Potencia Transductor p t . 
'-----de potencia O enclll Controlador 
eléctrica medida 
Demanda de 
_A_c_tua_d_or-de-~ángulo de ataque 
~-----< 
ángulo de ataque 
1 
\'alor 
deseado de 
potencia 
Figura 10. Lazo de control principal para Turbina de generador de velocidad fija y ángulo de ataque regulado. 
Es importante notar que existen varias estrategias de control de turbinas eólicas que funcionan 
con algunas diferencias, para lograr un control eficiente de la potencia. Se pueden dividir en: 
de velocidad fija y ángulo de ataque fijo (FS-FP Fixed speed - fixed pitch), de velocidad fija 
y ángulo de ataque variable (FS-VP Fixed speed - variable pitch), de velocidad variable y 
ángulo de ataque fijo (VS-FP Variable speed- fixed pitch), y de velocidad variable y ángulo 
de ataque variable (VS-VP Variable speed- variable pitch). Estos cuatro esquemas parten de 
que la forma más fácil y eficiente de ajustar la salida de un generador eólico es mediante el 
ángulo de ataque de las palas, y/o controlando la velocidad del generador. En la Figura 11 se 
presenta la curva de potencia para cada una de las estrategias mencionadas, siendo la de 
velocidad variable y ángulo de ataque variable la curva ideal. 
Rated 
Cut-in speed Cut-out 
~---::=---==----· .J Rated Power 
~ 
~ F'S~~ ... 
¡ 
V'S~P o 
CL VS-VP 
Wind Speed (m/s) 
Figura 11. Curvas para diferentes estrategias de control - VS-VP es la curva ideal. (NI Developer Zone, 2008) 
En la primera estrategia, FS-FP, es imposible implementar un control activo ya que no se 
puede manipular ninguno de los dos elementos principales. Por lo tanto estas turbinas se 
regulan utilizando métodos pasivos de calado (stall en inglés) a altas velocidades del viento. 
En este tipo de control es importante seleccionar correctamente la razón de transmisión de la 
caja de transmisión para asegurar que no se exceda la potencia normal de operación. Según la 
gráfica de la Figura 11, este tipo de estrategia no es muy eficiente ya que entrega una máxima 
potencia a una velocidad del viento específica. 
18 
En la configuración FS-VP el ángulo de ataque se mantiene fijo siempre que la velocidad del 
viento es menor a las condiciones normales de operación, y cuando la velocidad del viento es 
mayor, se ajusta dicho ángulo de ataque para lograr que siempre haya una misma velocidad 
del generador. Como se ve en la gráfica de la Figura 11, al utilizar este tipo de configuración 
se evita pérdidas de potencia a velocidades de viento mayoresa las normales de operación, 
mientras que cuando hay una velocidad del viento menor, se acerca mucho a la eficiencia 
óptima. 
La configuración VS-FP ajusta continuamente la velocidad del rotor en relación a la velocidad 
del viento utilizando electrónica de potencia para controlar la velocidad síncrona del 
generador. En este tipo de control se asume que el generador es parte de la red, por lo que el 
rotor del generador y la unidad motriz pueden rotar libremente independientemente de la 
frecuencia de la red eléctrica. Como se puede observar en la gráfica antes mencionada, este 
tipo de control presenta una buena captación de energía a velocidades bajas del viento, 
mientras que a velocidades mayores se dificulta el control por lo que no es muy eficiente. 
Por último, la configuración VS-VP es la más eficiente ya que combina las mejores 
configuraciones de las tres anteriores: VS-FP a velocidades del viento bajas, y FS-VP a altas 
velocidades del viento. La curva de esta estrategia de control es la única que logra una curva 
de potencia ideal, como se puede observar en la Figura 11 (NI Developer Zone, 2008). 
Una vez entendido esto, se puede pasar a la implementación de los sistemas de control. Como 
ya se ha mencionado anteriormente, el control puede implementarse mediante sistemas 
mecánicos, circuitos eléctricos analógicos, en forma digital y electrónica, o en combinaciones 
de éstos. La mayoría de las turbinas eólicas utilizan una combinación entre circuitos 
analógicos y digitales, o solamente circuitos digitales. 
1.5 AVANCES 
Generadores híbridos 
De acuerdo con algunos expertos en energías renovables, un sistema híbrido que 
combina paneles eléctricos solares y de viento (también conocidos como módulos 
fotovoltaicos PV), ofrecen ciertas ventajas por sobre los sistemas simples. 
En gran parte de los Estados Unidos, la velocidad es más lenta en el verano, cuando el sol 
brilla más y permanece más tiempo por día. El viento es más fuerte en invierno, donde la luz 
del sol es más tenue. Debido a esta discrepancia entre luz y viento, los sistemas híbridos 
resultan de mayor utilidad. 
Por otra parte, si lo que falta es viento y luz a la vez, lo que se puede utilizar son generadores 
eléctricos a base de combustibles fósiles, como se puede observar en la Figura 12. 
19 
Figura 12. Diversas fuentes de alimentación para producir energía. 
Si es que las baterías llegasen a agotarse, el generador puede operar al máximo hasta que las 
baterías sean cargadas. Añadiendo un sistema a base de combustibles fósiles, convierte al 
sistema en uno más complejo, pero los controladores electrónicos modernos pueden operar 
estos sistemas automáticamente. 
Turbina eólica de levitación magnética 
La levitación magnética utilizada se encuentra entre la flecha que gira y la base 
estática de la máquina, básicamente sustituyendo a todos los rodamientos. Cuenta con imanes 
permanentes los cuales sostienen a la flecha, para evitar el consumo de energía extra. 
Este aerogenerador puede funcionar a partir de pequeñas velocidades de viento de hasta 1.5 
mis y su velocidad de corte inferior (la velocidad mínima a la que empieza a generarse 
energía) es de apenas 3 mis. 
Este generador puede reducir drásticamente el costo operativo de las granjas eólicas; casi 
hasta en un 50%. Se espera que supere la capacidad de generación energética de los 
aerogeneradores tradicionales hasta en un 20%. 
Figura 13. Estator visto desde adentro. 
Cuando se compara el rendimiento en horas de operación, esta nueva tecnología aporta 1,000 
horas extra anuales a las horas tradicionalmente consideradas en energía eólica. 
20 
Aerogeneradores sin aspas 
El aire entra en el dispositivo y genera un vórtice interior, creando una nueva clase de 
corrientes continuas (también en ausencia de viento). Será suficiente una velocidad de viento 
de tres o cuatro metros por segundo para asegurar una potencia de 100/200 vatios. Con viento 
más fuerte podrá llegar a la misma potencia de un aerogenerador tradicional. 
Aerogenerador flotante 
Statoi/Hydro y Siemens han instalado en las costas de Karmey, Noruega, un 
generador, el cual puede producir hasta 2.3MW de energía eléctrica. La turbina, fabricada por 
Siemens, está compuesta de acero revestido con un material para soportar las duras 
condiciones marinas, además, contiene tres cables que se anclan al fondo marino para lograr 
la estabilidad necesaria, los cuales tienen una longitud de unos 528 metros por debajo de la 
superficie, donde se adjunta a los cables de la red eléctrica submarina que se extiende por la 
costa. Una imagen más clara de estos generadores se muestra en la Figura 14. 
Figura 14. Aerogeneradores Dotantes 
Los ingenieros del proyecto han desarrollado conjuntamente un sistema de control de la 
turbina Hywind para atender a las especiales condiciones de funcionamiento de una estructura 
flotante. En particular, el sistema avanzado de control consigue que la turbina tenga la 
capacidad de amortiguar las olas que producen movimientos en la flotación del sistema, 
garantizando así una gran estabilidad y seguridad en la estructura. 
Generadores eólicos convencionales 
Actualmente existen varios tipos de aerogeneradores, los cuales han cambiado a lo 
largo de los años, hoy en día podemos contar con aerogeneradores muy potentes como el 5M 
Repower, el cual tiene una potencia nominal de salida de 5MW una producción anual 
estimada en 17 GWh, una altura del rotor de 120 metros para el modelo terrestre y de 90 
metros para el modelo marítimo, con 126 metros de diámetro y una longitud de pala de 61,5 
metros. Es sólo un ejemplo, ya que también existen otros modelos de similares características 
o menos poderosos. 
21 
1.6 MODELADO Y SIMULACIÓN DE UN GENERADOR EÓLICO 
Se consideran los subsistemas más importantes de la turbina de velocidad constante: el 
rotor, la transmisión, y el generador, combinados con un modelo de la velocidad del viento. 
Se considera también las siguientes suposiciones: 
• La saturación magnética es despreciada; 
• La distribución del flujo es sinusoidal; 
• Las pérdidas se desprecian; 
• Los voltajes y corrientes del estator son sinusoidales a la frecuencia fundamental. 
Cada sul,sistema que conforma un generador eólico es explicado a continuación (Figura 15); 
así misn\,, se presentan resultados de la simulación de cada uno de ellos. 
,¡ - ·-7¡ Potencia 
- '~,- . ~~,. 1, ¡,;.... - ---'l>ll 
'¡:¡ Modelo de :J - . ,¡ ij mecánica 
i . l Velocidad , Modelo Potencia \\ Modela -! 
: velocidad :l . ) . 11---- J! dela i 
1: , ,¡ del viento 1 del rotor mecánica 1[ ¡-¡¡ del viento J . ¡¡ flecha ' Velocidad 
;, rotacional 
,- .. '"'1 Potencia Activa ji 
1 
y Reactiva ) ! Modelo de la 
Modelo del . ¡ red eléctrica a -¡ 
generador ' ¡ frecuencia -¡ 
' Voltaje y fundamental 
1
' 
frecuencia 
Figura 15. Subsistemas involucrados en el modelo de una turbina eólica de velocidad constante. 
1.6.1 Modelo de la velocidad del viento 
El modelo de viento que se emplea en este trabajo permite simular secuencias de 
viento de una manera flexible, suponiendo que la velocidad del viento está compuesta por las 
siguientes componentes [Anderson y Bose, 1983; Slootweg et al., 2005], cada una expresada 
en metros por segundo: 
• Valor promedio vP. 
• Un componente de rampa, que representa un incremento en la velocidad del viento vr. 
• Un componente de ráfaga v9 . 
• Un componente representando la turbulencia vt. 
De esta manera, la velocidad del viento se puede representar por medio de la siguiente 
expresión: 
(1.6.1) 
El valor promedio de la velocidad del viento está dado en función de las características del 
viento en la zona donde se encuentre la turbina instalada. 
El componente de rampa, Vr, representa la situación en la cual la velocidad del viento 
aumenta desde un valor inicial a uno final, en un intervalo de tiempo finito [t1r, t 2r] y 
caracterizada por una pendiente de la rampa m,., dado en mis; la ecuación que representa estacomponente es la siguiente: 
22 
( 1.6.2) 
Para la componente de ráfaga, se considera que tiene un instante de iniciot19 , un instante de 
terminación de la ráfaga t29 y una variación del tipo sinoidal de amplitud Ag, para facilitar el 
análisis; para este caso, esta componente de ráfaga se calcula como sigue: 
t < t1g 
t1g < t < t2g 
t > t2g 
(l .6.3) 
Con respecto al modelado de la turbulencia, ésta está caracterizada por su densidad espectral 
de potencia, la cual en este estudio está dada por [Slootweg et al., 2006]: 
donde 
P01 = densidad espectral de la turbilencia a una frecuencia f, W/Hz 
f = frecuencia , Hz 
h = altura del eje de la turbina, m 
v P = velocidad promedio del viento, mis 
z0 = rugosidad del terreno, m 
l = longitud de escala de la turbulencia, m 
={20h h <30m 
600 h > 30m 
(1.6.4) 
La rugosidad del terreno depende de las condiciones del paisaje del que se trate; en la Tabla 
JTabla 2 se presentan algunos valores de zo para distintos tipos de paisaje o terreno. 
Tipo de paisaje 
Mar abierto o arena 
Superficie nevada 
Estepa o pasto corto 
Pasto largo o suelo pedregoso 
Bosque, ciudades o áreas montai\osas 
Rango de zo(m) 
0.0001-0.001 
0.001-0.005 
0.001-0.01 
0.04-0.1 
1-5 
Tabla 2. Rango de~ para cada tipo de paisaje. 
Otra densidad espectral reportada en [Anderson y Bose, 1983] es la siguiente: 
23 
Donde S = función de densidad espectral de la turbulencia del viento, 
F = 2000 ft, escala de turbulencia, 
KN = 0.004, coeficiente de arrastre de la superficie, 
µ = velocidad media del viento en la altura de referencia, ft/ s, 
w; = frecuencia angular del espectro de potencia, rad/s, 
(1.6.5) 
Para fines de este reporte, se implementará la primera expresión para la densidad espectral de 
potencia P0 ,. Como esta componente de turbulencia está definida en términos de una densidad 
espectral, es necesario transformarla para obtener una señal en tiempo de manera que su 
densidad espectral sea la especificada por P0 ,. Para ello, se emplea el método propuesto en 
Shinozuka y Jan [1072], en el cual se obtiene una suma de señales senoidales en el tiempo de 
diversas frecuencias, como armónicas de una frecuencia fundamental. La componente de 
turbulencia del viento está dada por 
Donde 
wk = (k - 0.5)1'.\w, 
wk = wk + u[-o.55,0.551 
L\OJ = 0.5 - 2.0 rad/s, 
N=50, 
<pk = u[o,2Jl"] 
U[a,b] es la distribución uniforme entre los valores a y b. 
(1.6.6) 
En la Tabla 3 se presenta el resultado de la simulación de la velocidad del viento bajo las 
siguientes condiciones: 
Velocidad promedio, 11.5 mis 
Tiempo de inicio de la rampa de viento, tlr 5 s 
Tiempo de fin de la rampa de viento, t2r 35 
Amplitud de la rampa, mr 4 mis 
Tiempo de inicio de la ráfaga de viento, tlg 45 s 
Tiempo de fin de la ráfaga de viento, t2g 65 s 
Amplitud de la ráfaga, Ag -1.0 mis 
Escala de la turbulencia, F 600m 
Rugosidad del terreno, z0 0.004 m 
Número de puntos para calcular las frecuencias y la 50 
sumatoria, N 
Intervalo de frecuencia, Dw 0.5 rad/s 
Tabla 3. Condiciones de simulación para el modelo del viento. 
24 
Los resultados de la simulación para estas condiciones se presentan en la Figura 16, utilizando 
la densidad espectral de la ecuación (2). 
Velocidad del viento 
18 . . 
1 
en 
; 14 1 íl~ ~ ~ 1 ~ l 1 ~ • 
12 W' i ~\ 1 
10 
tiempo, s 
Figura 16. Respuesta del modelo del viento para las condiciones de la Tabla 3. 
1.6.2 Modelo del rotor 
La siguiente ecuación algebraica representa la relación que existe entre la velocidad 
del viento y la potencia mecánica extraída del viento: 
(1.6.7) 
donde Pw, es la potencia dada en watts, p es la densidad del aire, Cp es el coeficiente de 
potencia, A es la relación entre la velocidad de la punta de los álabes y la velocidad del viento 
a la altura de la góndola vtfvw, 0 es el ángulo de ataque, y Aw, es el área cubierta por el rotor 
de la turbina eólica. En la mayoría de las turbinas de velocidad constante, el ángulo de ataque 
se desprecia provocando que el Cp sea función de A únicamente. 
Para conocer el valor del coeficiente de potencia, puede utilizarse la siguiente ecuación, 
resultado de una aproximación numérica: 
(1.6.8) 
donde A¡ = [C+:00)- (0~:Jr1 ( 1.6.9) 
(1.6.10) 
25 
La estructura de esta ecuación proviene de Heier ( 1998). Sin embargo los valores para las 
constantes c1 a c9 han sido modificados ligeramente con el fin de concordar con la 
información de las especificaciones del fabricante. 
Las variaciones del viento a altas frecuencias son muy puntuales aún fuera, sobre la superficie 
del rotor, particularmente cuando las aspas de la turbina son más largas. Para aproximarnos a 
este efecto, un filtro pasa bajas se incluye en el modelo del rotor. 
Turbina de velocidad constante 
Turbina de velocidad variable 
e, Cs C7 Cs C9 
.44 125 O o o 6.94 16.5 O -0.002 
.73 151 0.58 0.002 2.14 13.2 18.4 -0.02 -0.003 j 
Tabla 4. Aproximación de las curvas de potencia. 
En la Figura 17 se muestran las curvas de potencia de turbinas comerciales de velocidad 
constante, junto con la aproximación numérica de la Tabla 4: 
1.4 
- 1.2 ::, 
E: 1 
' ... ll) 0.8 3: 
o 
a.. 0.6 -::, 
' 
g. 0.4 ::, 
o 
0.2 
ºo 
Figura 17. Comparación de la aproximación numérica de la curva de potencia de una turbina y las de dos turbinas 
comerciales (Ackermann, 2005). 
Velocidad 
del viento 
--------------.. 
1 
1 
1 
1 
1 ! 
1 
l+TS ! 
1 
1 
1 
1 
L.-------------- 1 
Velocidad 
del viento 
filtrada 
Figura 18. Filtro pasa bajas para suavizar la salida de las componentes del viento sobre la superficie del rotor a altas 
frecuencias. 
El valor de la componente 't depende del diámetro del rotor, así como de la intensidad de la 
turbulencia del viento y sus velocidades promedio. Para este análisis 't se definió como 4.0s. 
26 
Finalmente se incluyó la parte de la torre (sombra de la torre) en el modelo del rotor. Esto se 
puede hacer adhiriendo un pulso periódico a la potencia mecánica, la cual es la salida del 
modelo del rotor, la cual se calcula con la ecuación de cP (,W). La frecuencia de este pulso 
depende del número de aspas (usualmente 3) y la velocidad rotacional del rotor de la turbina 
eólica. La amplitud de los pulsos esta en el orden de poco porcentaje. La sombra de la torre es 
particularmente importante en investigaciones que tienen que ver con la calidad de la potencia 
y la interacción mutua entre varias turbinas eólicas situadas muy cerca una de la otra, 
eléctricamente. En el presente estudio, se hará la concentración de las aspas en una sola. 
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• > • • " • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
Figura 19. Respuesta de cp(>-,9) vs. 1-, con 9 lijo en 0° 
... ....... ~ ........ . :-....... ··~--... .... ·: ..... ... --~ ...... .. -~-......... ; .... ..... -~ ......... ~'. .. .. . ..... :"' 
. . . 
o • e • , e 
. ... . ·····~··· · · · . ... } ' ..... . ..... . ;·· •• ·~-~-·~·· · · .. . ~ ... -~- .' ···~· --i<¡ ""'· ""· _ , 
. . . . . . . . ' . . 
Figura 20. Respuesta de cp(J..,9) vs. 1-, con 9 fijo en 5° 
27 
,. · ~ · .,. · · · ~ · · · · .... ·,.,. ~:·,. ~ · · , · · · · ·r · · .. ~ · · · ~ · · · · · · · · · · · f · · ·,. · · · · · :· · · .. ·" ~ · · ~ · · ·,. · · .. · · · ~ · ~ · · · · ~ · · 
. . . 
' . . . . . 
• ~ > • . . . ~ 
•••.• •• . ~ .......... , .)\O. , •••. ··t····~ .. , ...... . 1··~--1,.,.,, , •. ·r ... , ... , ... 
1 
.. , ....... . 
1 
........ , .. 
. . . . . . 
Figura 21. Respuesta de Cp().,O) vs.)., con O fijo en 15° 
1.6.3 Modelo de la flecha 
1 . 1 
1 1 
1 1 
! Hwr ¡ 
1 1 
T 7 . 1~---------1! ¡__ ____________________________ lr----~=---!1-----f-~~-! ( Te 
V ·-V------- [______________________________ -----V--- V 
1 1 1 1 
1 1 1 t 
f 1 1 1 
' 1 '-------------· 1 1 
1 1 
: : Rotor del 
1 1 
i i generador 
'---------· 
Rotor de 
la turbina 
Figura 22. Representación del modelo de la flecha acoplando al rotor y al generador. 
El modelo dinámico que describe el comportamiento de la flecha, sin considerar la fricción, 
está dado por las siguientes ecuaciones: 
Expresando el modelo con variables de estado, se tiene: 
. = _ ~ y + T wr Wwr 
ZHwr ZHwr 
. Ks Te 
Wm =-y--
ZHm ZHm 
(1.6.11) 
(1.6.12) 
(1.6.13) 
(1.6.14) 
(1.6.15) 
(1.6.16) 
(1.6.17) 
28 
En notación matricial, el modelo se puede expresar como sigue: 
o o -Ks¡ 
¡-] r½H= -l¡;Hm l l;: l [~]= 2Hwr o o Ks¡ Wm + 0 2Hm y 
o 
2rrf -2rrf o 
La estabilidad está dada por los valores característicos de la matriz A. 
A= [ : 
2rrf 
o 
o 
-2rrf 
1,U - Al = P(,l) = O son los valores característicos 
P(,l) = A[HmHwrA2+188.SK5 (Hm+Hwr)] 
HmHwr 
(1.6.18) 
(1.6.19) 
(1.6.20) 
Las raíces son: {±8.898j, O} considerando K = 0.3, Hm = 1, Hwr = 2.5 
w = 8.898 
yields -
-a.898J 
Figura 23. Locali:mción de polos del sistema. 
fo = 8'898 = 1.416 Hz, con un período T = -¡;1 = 0.7061 
2rr o 
Coincide con la respuesta de Simulink, donde el período de cada oscilación es de 
aproximadamente O. 7 (Figura 24 y Figura 25). 
29 
Figura 24. Respuesta de gamma con 0 = 0°, A.= 5.5, y Vw = 3 mis. 
r .. .. u .... ,., .• , .... . ...... ~., ........... .. ...... . ., ... .. 
~ 
·•• • !•}"v ·•• •••--••~ • • • ~• ••• • ,n-'•••••OvH 
Figura 25. Respuesta de <nw, y lnm con 0 = 0°, A.= 5.5, y Vw = 3 mis 
, ... ·i--- ,,, 
" ______ ... __ ,, __ J ___ :_c,, ,, .. ., ........... .. , ... ,,, ............ ,, ... .. 
.. . . -~ ................... .. . 
Figura 26. Respuesta de gamma con 0 = 0°, A.= {O, 10}, y Vw = {O, 25} mis 
30 
l : : 
......... , .............. ;,..... ",. .............. ~. 
i . ' ' ~· ' 
Figura 27. Respuesta de Wwr y Wm con 9 = 0°, k = {O , IO}, y Vw = {O, 25} mis 
1.6.4 Modelo del generador eléctrico 
Las ecuaciones de voltage de Park-Blondel para un generador de inducción de jaula de 
ardilla en el marco de referencia del rotor (en directo - cuadratura) utilizando la convención 
del generador, son los siguientes: 
(1.6.21) 
(1.6.22) 
(1.6.23) 
(1.6.24) 
Donde los subíndices d y q aluden a directo y cuadratura, los subíndices s y r se refieren al 
estator y al rotor respectivamente; u es voltaje, Res resistencia, w es la velocidad angular, y 1f1 
es el flujo. 
El flujo y las corrientes se interrelacionan por las siguientes ecuaciones: 
1Pds = Lsids + Lmidr 
1Í'dr = Lridr + Lmids 
1Pqs = Lsids + Lmiqr 
t/Jqr = Lriqr + Lmiqs 
(1.6.25) 
(1.6.26) 
(1.6.27) 
(1.628) 
donde Lm es la inductancia magnetizante, Ls y Lr son las inductancias propias del estator y 
rotor respectivamente. 
31 
El torque electromagnético está dado por: 
(1.6.29) 
donde p es el número de polos pares. 
Substituyendo al grupo de ecuaciones (2) en ( 1) la representación de estado de la derivada de 
la corriente, está dada por: 
d[i] 
dt = A[i] + B[u] (1.6.30) 
donde [i] = [ids Íqs idr Íqr] es el vector de corrientes del estator y el rotor, y [u] = 
[uds Uqs O O] es el vector de voltajes aplicados. 
Las matrices quedan de la siguiente forma: 
-Rs {JJT RrLm l.lJ,,Lm 
1 
uLs (1 (ILSLT (1Ls Ls 
o o o 
-l.lJ,, -Rs -l.lJ,,Lm RrLm 1 
u (1Ls uls (ILSLT o Ls o o A= B= (1.6.31) 
RsLm -wrLm -RT -l.lJ,,L~ -Lm -- o o o 
(ILSLT (ILT (ILT (ILSLT LsLr 
l.lJ,,Lm RsLm "'rL~ -RT o 
-Lm o o 
-- LsLr 
(1Lr ul5 Lr (ILSLT ulr 
y el factor de fugas cr es: 
~ (1.6.32) (1=1--
LsLr 
Características del generador Valores 
Velocidad del generador (rpm) 1517 
Inductancia mutua Lm (p.u.) 3.0 
Inductancia de dispersión del estator Ls (p.u.) 0.10 
Inductancia de dispersión del rotor Lr (p.u) 0.08 
Resistencia del estator Rs (p.u.) 0.01 
Resistencia del rotor Rr (p.u.) 0.01 
Tabla 5. Características del generador (Ackermann, 2005) 
32 
Considerando los valores de la Tabla 5 como características del generador, e insertando 
dichos valores en las ecuaciones anteriores, se obtiene la siguiente ecuación de los valores 
característicos: 
P(-1) = 2301300,12 - 500,1 ( 1.6.33) 
Esta ecuación da como resultado las raíces del sistema:{±1517i, O} 
1.6.5 Modelo del Generador lnducido4 
El generador inducido se puede modelar a través de las siguientes ecuaciones5, en ellas están 
representadas las tensiones y corrientes que intervienen en el sistema, las ecuaciones de los 
voltajes de directiva y en cuadratura para el rotor se igualan a cero, ya que para su análisis en 
este tipo de generador, el rotor se encuentra en corto circuito. 
Vds = -RJds + ú)s l(Lsa + Lm )iqs + Lmiqr J 
vqs = -Rsiqs -mJ(LSO" +Lm)ids +Lmidr] 
Vdr =O= -R,.id,. +smj(L,.ª +Lm)iq,. +LmiqJ+ df//dr 
dt 
Vq,. =O= -R,.iqr -smJ(L,.ª +Lm)id,. +LmidJ+ dlf/qr 
dt 
Donde: 
V tensión [V] 
R Resistencia [Q] 
I corriente [A] 
q, flujo [Tesla] 
Q velocidad angular [rad/s] 
d componente en el eje directo 
q componente en el eje de cuadratura 
s estator 
r rotor 
(1.6.34) 
(1.6.35) 
(1.6.36) 
(1.6.37) 
Para el modelado de este sistema se tornaron en cuenta varias consideraciones, como: se 
despreció la fricción, la inercia (J) del sistema se tomó como unitaria y la carga fue 
establecida en cero. 
Una vez definidos estos parámetros se hizo la simulación del modelo en Simulink, las 
respuestas para la velocidad angular y para el torque en el generador se muestran a 
continuación en la Figura 28. 
4 (Filisola & Gasea, 2009) 
5 (Ponce & Sampé) 
33 
respuesta de generador 
-so~~-~-~-~-~-~-~-~-~~ 
O 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
Figura 28. Respuesta de la velocidad angular y del torque. 
Para utilizar este modelo como un generador es necesario que la velocidad del rotor supere la 
velocidad síncrona que se tiene con el campo magnético del estator. 
En la simulación se incluyeron métodos de control vectorial con el fin de poder desacoplar las 
tensiones de las corrientes y el flujo magnético y obtener así un comportamiento semejante a 
la máquina de corriente directa. 
Para la operación del generador como máquina de corriente directa es necesario transformar 
las coordenadas trifásicas de voltaje de alimentación a coordenadas de campo estacionarias, 
las cuales alimentarán al generador, esto con la aplicación de las transformadas de Park6, de 
igual manera, será necesario hacer el proceso inverso para convertir las corrientes generadas a 
corrientes trifásicas, conectadas directo a la carga eléctrica. 
Las ecuaciones que rigen este método de Park son las siguientes. 
i~s = ids COS p - i~s sin p 
ips = ids cos p - i~s sin p 
. * 1 .• 
las = - 3las 
. • 1 . • 1 . • 
lbs = - 3 las + ,fJ lps 
. • 1 . • 1 .• 
l,s = - 3 las + ,fJ lps 
( 1.6.38) 
(1.6.39) 
(1.6.40) 
(1.6.41) 
(1.6.42) 
Con las ecuaciones 1.6.38 y 1.6.39, se transforma de coordenadas de campo a coordenadas 
bifásicas estacionarias, las ecuaciones 1.6.40, 1.6.41 y 1.6.42 convierten las coordenadas 
6 (Ponce & Sarnpé) 
34 
bifásicas estacionarias a coordenadas trifásicas estacionarias. Implementando estas ecuaciones 
en la simulación se obtuvo los resultados mostrados en la Figura 29 y Figura 30. 
¡ 
Figura 29. Corrientes en eje coordenado estático. 
Figura 30. Voltajes trifásicos estacionarios. 
Para obtener la transformación de los voltajes trifásicos a voltajes bifásicos en eje coordenado 
estacionario fue necesario despejar las ecuaciones 1.6.34, 1.6.35, 1.6.35, 1.6.36 y 1.6.38, 
dejándolas ecuaciones en función de los voltajes trifásicos como se muestra en las ecuaciones 
1.6.43 y 1.6.44, la implementación de estas ecuaciones se muestraa continuación en la Figura 
31. 
3 
2 vas + vq_,.senp v;ls = ~----- (1.6.43) 
COS p 
.fj .fj 
2 vhs - 2 v; . ., - vdssenp 
~JS = ~---~------
COS p 
(1.6.44) 
35 
Va .__ ____ MVa 
f---~ ....... ---------MVb 
r-----l .. Vc 
Vd2 
Vq1 
Conversión de tres a dos fases 
Ve 
Figura 31. Conversión de tres a dos fases. 
Finalmente tras haber obtenido todos los parámetros para modelar el sistema en su totalidad, 
en la figura, se presenta el esquema final del modelo del generador inducido, visto como una 
máquina de corriente directa. 
ids i alfas ias 
iqs i betas ics 
Generador transformacion de coordenad.H Conveisión de 2 a 3 fases 
Vo 
Figura 32. Modelo del generador con transformaciones de Park 
1.6.6 Problemáticas al conectar a la red eléctrica 
La red eléctrica en México opera con una corriente trifásica a una frecuencia de 60 Hz, 
arreglada en tres distintos niveles de voltaje: 
• Alta tensión: 380kV, 220kV, I I0kV 
• Media tensión: 30kV, 20 kV, I0kV 
• Baja tensión: 400V 
Consideraciones: 
• Capacidad de transmisión. 
• Potencia de cortocircuito. 
• Fluctuaciones de voltaje de corta y larga duración. 
• Armónicos 
• Potencia reactiva 
• Parpadeo (flicker) 
36 
B 
~ 
j~j 
lL 
M l:i\MMJ 
,,. 
Figura 33. Distorsiones de voltaje periódicas y no-periódicas. (1) Oscilatorio transitorio. (2)Caída de voltaje. 
(J)Aumento de voltaje. (4)lnterrupción momentánea. (S)Parpadeo de ,·oltaje. (6)Distorsión armónica. (7)Voltaje con 
inter-armónicos. (8)Voltaje con cortes. (Stiebler, 2008) 
Capacidad de Transmisión. 
Existen varias consideraciones importantes al conectar una turbina eólica a la red 
eléctrica. El principal requerimiento es que el equipo - líneas de transmisión, 
transformadores, interruptores, etc. - utilizados no deben sobrecargarse. También, es deseable 
mantener en un mínimo las pérdidas de potencia a través de las líneas. 
Potencia de corto circuito. 
La potencia de corto circuito de una red indica el grado en el que se puede compensar 
por impulsos de corriente de interferencia. Un aumento en la potencia de cortocircuito en el 
punto de conexión lleva a un decremento en la impedancia de la red para que las corrientes de 
interferencia generen variaciones pequeñas en el voltaje. Entonces, las perturbaciones de una 
turbina eólica en la red eléctrica decrecerán con una mayor potencia de corto circuito. 
Fluctuaciones de voltaje. 
Alimentar potencia a la red eléctrica, cosa que se lleva a cabo en la dirección opuesta 
al flujo normal de energía de las centrales de potencia descentralizadas, conlleva un aumento 
en el voltaje de operación en el punto de conexión. Los parámetros de control del bus en una 
red deben de empatarse a las características de operación de las turbinas eólicas de forma que 
las fluctuaciones de voltaje se puedan compensar. En algunas situaciones, esto puede 
ocasionar problemas como el parpadeo, que es perceptible al ojo humano en la luz eléctrica. 
En particular, altas corrientes de irrupción que ocurren con la sincronización de la turbina a la 
red, especialmente con generadores de inducción conectados directamente a la red, deben de 
tomarse en consideración. Por esa razón, los generadores de inducción modernos están 
equipados con un sistema de sincronización suave controlado por tiristores. 
Armónicos. 
Hace algunos años los armónicos causados por turbinas eólicas eran un tema de discusión 
para los operadores de la red. A causa de las corrientes no-sinusoidales del mversor, las 
37 
turbinas de velocidad variable con convertidores de frecuencia generan armónicos en la red. 
Los inversores recientes de 12 pulsos proveen un voltaje sinusoidal mucho más suave. Como 
resultado de desarrollos recientes en la electrónica de potencia, corrientes casi sinusoidales 
pueden ser generadas por generadores de velocidad variable. 
Potencia reactiva. 
Importar potencia reactiva de la red representa un efecto indeseado en la misma red desde el 
punto de vista de un operador de la red eléctrica. El operador de la turbina, entonces, debe 
pagar por esto, por lo que en ocasiones puede presentar una desventaja económica para la 
operación de una turbina eólica. Los requerimientos técnicos de conexión a la red usualmente 
demandan una compensación para los requerimientos de potencia reactiva por un de 0.9 
capacitivo, y 0.8 inductivo. Esto se logra con generadores de inducción directamente 
conectados a la red y equipados con compensación progresiva de potencia reactiva estática, 
que puede adaptarse a uno o más puntos de operación. 
38 
2. METODOLOGÍA PARA EL DESARROLLO DE UN 
PROYECTO DE CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA 
DE UN PARQUE EÓLICO 
2.1 ESTADO DEL ARTE 
Es importante la instalación de nuevas plantas de generación eléctrica que satisfagan y 
aseguren la demanda eléctrica del país ya que, además del crecimiento de la demanda 
energética, cuando se generan picos en la misma, se necesita encender las centrales más 
antiguas y contaminantes que además de afectar al medio ambiente, son poco eficientes y 
encarecen la producción de energía eléctrica. Por otro lado, las reservas petroleras probadas, 
en México no son extensas (Tabla 6) y ser menos dependientes del petróleo es cada vez más 
importante por lo que implementar energías renovables no sólo es de interés ecológico, pues 
al mismo tiempo se obtendría una mayor robustez energética. Si esto se logra a un menor 
costo en la generación de electricidad no sólo se habla de preocupación energética y 
ambiental, se habla también de una oportunidad de negocio. 
1 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 
EE.UU. 55.01 54.25 215.32 216.46 214.77 213.43 212.53 211.56 209.91 
Canadá 4.71 4.86 180.02 178.89 178.80 178.79 179.21 178.59 178.09 
México 28.26 26.94 12.62 15.67 14.60 12.88 12.35 11.65 10.50 
Tabla 6. Reservas petroleras probadas en billones de barriles 7 
Los recursos renovables más empleados son el solar y el eólico. México cuenta con una gran 
irradiación solar en prácticamente todo su territorio (ver Figura 34). 
Figura 34. Irradiación solar en MéxicoH 
7 (U.S. Energy Information Administration, 2009) 
39 
El uso de este recurso energético para calentamiento como son las estufas solares tiene 
un potencial que debe ser explotado, pero el costo para generación eléctrica aún no justifica la 
inversión de un proyecto del orden de las decenas de MW. Sin embargo, a medida que 
disminuyen los precios de solares, mientras que el capital y gastos de combustible de carbón, 
gas natural y plantas nucleares aumentan, se estima que EE.UU. llegará a un punto de cruce 
alrededor del 2015. Los precios de energía fotovoltaica instalada proyectan una reducción de 
un promedio de$ 5.50-$ 7.00 Watt pico (15-32 centavos kWh) en 2008, a$ 3.02-$ 3.82 Watt 
pico (8-18 centavos kWh) en 2015 y a$ 1.43-$ 1.82 Watt pico (4-8 centavos kWh) en 20259• 
¿Por qué pensar en la energía eólica? 
• El generar energía eléctrica sin que exista un proceso de combustión o una etapa de 
transformación térmica supone, desde el punto de vista medioambiental, un 
procedimiento altamente favorable por ser limpio, exento de problemas de 
contaminación, etc. Se suprimen radicalmente los impactos originados por los 
combustibles durante su extracción, transformación, transporte y combustión, lo que 
beneficia la atmósfera, el suelo, el agua, la fauna y la vegetación. 
• Es inagotable y frena el agotamiento y dependencia de combustibles fósiles 
contribuyendo a evitar el cambio climático. Es una tecnología de aprovechamiento 
totalmente madura. 
• La utilización de la energía eólica para la generación de electricidad presenta nula 
incidencia sobre las características fisicoquímicas del suelo o la erosión del mismo ya 
que no se produce ningún contaminante que incida sobre este medio, ni tampoco 
vertidos o grandes movimientos de tierras. 
• El tiempo de construcción es menor con respecto a otras opciones energéticas. Una 
granja de 10 MW puede construirse fácilmente en un plazo de dos meses,generando la 
energía suficiente para satisfacer el consumo promedio de más de 5,000 
hogares europeos. 10 .Al ser plantas modulares, son convenientes cuando se requiere 
tiempo de respuesta de crecimiento rápido. 
• La energía eólica se obtiene en forma mecánica y por tanto es directamente utilizable. 
En cuanto a su transformación en electricidad, esta se realiza por tener un buen 
rendimiento a diferencia de los aparatos termodinámicos con un rendimiento de 
Carnot siempre pequeño. 
• Es una de las fuentes más baratas, puede competir en rentabilidad con otras fuentes 
energéticas tradicionales como las centrales térmicas de carbón (considerado 
tradicionalmente como el combustible más barato) No origina productos secundarios 
peligrosos ni residuos contaminantes. Cada kW/h de electricidad generado por energía 
eólica evita: 
o 0,60 kg. de C02, dióxido de carbono 
o 1,33 gr. de S02, dióxido de azufre 
o 1,67 gr. de NO, óxido de nitrógeno 
8 (3tier.com, 2009) 
9 (Clean Edge Trends 2008, 2009) 
10 (EWEA, 2008) 
40 
• La electricidad producida por un aerogenerador evita que se quemen diariamente miles 
de litros de petróleo y miles de kilogramos de carbón en las centrales térmicas. Ese 
mismo generador produce idéntica cantidad de energía que la obtenida por quemar 
diariamente 1.000 kg. de petróleo. Al no quemarse esos kg. de carbón, se evita la 
emisión de 4.109 kg. de C02, lográndose un efecto similar al producido por 200 
árboles. 
• El recurso eólico en alta mar (offshore) se ha evaluado en hasta 3.000 TWh. Esto 
bastaría para satisfacer todo el consumo eléctrico de Europa. 
Un parque de lOMW: 11 
Evita 28.480 Tn. Al año de C02 
' 
Sustituye 2.447 Tep. toneladas equivalentes de petróleo 
Aporta Trabajo a 130 personas al año durante el diseño y la construcción 
Proporciona Industria y desarrollo de tecnología 
Genera Energía eléctrica para 11.000 familias 
Tabla 7. Datos para un parque eólico de 10 MW. 
En el marco actual de energía eólica tenemos que la capacidad instalada de energía eólica 
mundial creció en un 31 % en 2009, agregando 37.SGW llegando a un acumulado instalado de 
157.9GW. Un tercio de la nueva capacidad fue implementada en China, quien tuvo otro año .12 
120.000 -
100.000 -
so.ooo -
60,000 -
40.000 -
Z0,®0-
.15,000 -
l0,000 -
25,000 -
20,000 -
15,000 -
10,000 -
5.000 -
Figura 35. Capacidad eólica mundial instalada 1996-200913 
11 (Laboratorio de energías renovables, 2009) 
12 (EWEA Global Statistics, 201 O) 
13 (GW EC, 2009) 
41 
Las tecnologías de bajo carbono representaron aproximadamente el 41 % de la nueva 
capacidad del sector eléctrico en 2008, incluidos los 40 GW de nuevas energías renovables, 
25-30GW de grandes centrales hidroeléctricas y 0.5GW nucleares. 14 
En la Figura 36 se observa que 2008 fue el primer año que en EE.UU las instalaciones nuevas 
en energías renovables fue mayor que en tecnologías de combustibles fósiles. En 2009 esto se 
repite y el porcentaje de inversión en renovables se incrementa al 61 % del cual, 39% fue 
eólico seguido por gas (26%) y fotovoltaico (16%). 
35,000 
30,000 
25,000 
20.000 
15,000 
10,000 
5,000 
o 
200~ 2004 2005 2006 2001 2008 20111 
COal ;.,;,~ii.NStnlGa -FIIIIOI -OIIWl'IIOIO-AQ 
Figura 36. Capacidad nueva instalada en EE.UU15 
En la Figura 37 se tiene el histórico de 2003 a 2009 de la capacidad nueva instalada en 
las distintas regiones del planeta. Se aprecia que Norteamérica y Asia han tenido en 
crecimiento exponencial. El mayor aportador del rubro en Asia es China con 13 000 MW 
instalados en 2009. En Europa, los tres líderes son Alemania, España e Italia respectivamente. 
En América Latina México ocupa la segunda posición, en 2009 contaba con 202MW eólicos 
instalados mientras que el primer lugar, Brasil, triplicaba nuestra cifra. Nuevamente a 2009, el 
acumulado total de América Latina fue de 1 274MW, cifra casi triplicada por Canadá, y diez 
veces superada por EE.UU. 
14 (REN21, 2009) 
15 (EWEA, 2010) 
42 
16,000 - (MW] 8 2003 8 2004 111 2005 • 2006 8 2007 8 2008 2009 
14,000 -
LATIN AMER ICA Brazil 341 264 
12,000 - Mexico es 
Chi! .. 
Costa Rica 
Toul 
10,000 -
NOUH AME RI CA 
8,000 -
p ,606 10,872 
sw ,rO\íC W O RLD TOTAL 120,550 37,466 
6,000 -
4,000 -
2,000 -
o - ., 
Figura 37. Histórico de capacidad eólica nueva instalada por regiones16 
2.2 OPERACIONES PRINCIPALES EN LA ENERGÍA EÓLICA 
Las operaciones principales involucradas en la producción de energía eléctrica, en 
específico de la energía eó lica, se presentan a continuación: 
Un parque eó lico es una instalación que tiene la fina lidad de generar energía eléctrica a partir 
de la energía de l viento; también llamada energía eólica. La extracción y conversión de 
energía eó lica a energía eléctrica se realiza de manera independiente en cada aerogenerador. 
Aunque e l hecho de que se trate de una energía renovable supone una gran ventaja, presenta 
por el contrario el inconveniente de la gran variabilidad del viento. Dicha variabi lidad influye 
negativamente ya que no se puede contar siempre con esta fuente de energía ni tampoco se 
pueden hacer predicciones precisas. 
Un parque eó lico está formado por aerogeneradores que funcionan independientemente. Estos 
aerogeneradores generalmente se encuentran conectados en cascada y repartidos en varías 
líneas. Debido a que los aerogeneradores suelen generar electricidad a baja tensión, éstos 
tienen en su base un transformador para elevar la tensión para minimizar pérdidas hasta la 
subestación de l parque. En la subestación del parque convergen todas las líneas de los 
16 (GWEC, 2009) 
43 
aerogeneradores e inyectan la potencia en la red eléctrica a través de un único punto mediante 
un transformador; se eleva aún más la tensión para adecuarla con la red de transporte. 
En cada aerogenerador se pueden distinguir principalmente dos tipos de mecanismos o 
elementos: los puramente mecánicos y los eléctricos. La energía mecánica del viento se 
transmite gracias a la turbina eólica y a su eje hasta la caja de cambios. La caja de cambios 
transmite esta energía, adecuando la velocidad rotacional, al eje del generador eléctrico. Éste 
transforma la energía mecánica en energía eléctrica. El convertidor permite controlar el 
generador eléctrico y se usa o no en función del tipo de máquina del que se disponga. El 
transformador eleva la tensión para inyectar la energía en la red eléctrica. 
Para optimizar la energía del viento y para no someter a esfuerzos excesivos al aerogenerador 
se debe ejercer algún tipo de control sobre la potencia. Existen principalmente dos regiones de 
operación: por debajo de la velocidad de viento nominal y por encima de la misma. Cuando se 
está por debajo de la velocidad de viento nominal interesa extraer toda la energía que sea 
posible del viento, con lo que la mejor opción sería las máquinas de velocidad variables. Este 
tipo de máquinas permiten conseguir el par óptimo mediante la variación de la velocidad de 
rotación del generador eléctrico; gracias al convertidor se puede acoplar el sistema con la red 
eléctrica. Cuando se está por encima de la velocidad de viento nominal interesa limitar la 
potencia que se extrae del viento. Para esto se actúa directamente en las aspas de la turbina; 
algunas están diseñadas para producir turbulencias cuando se sobrepasa la velocidad nominal 
( "passive stall ") y en otras se giran las aspas. Existen principalmente dos métodos para 
limitar la potencia cuando se giran las aspas: provocando turbulencia ("pitch-to-stall ") o 
aumentando el ángulo para extraer menos potencia ("pitch-to-feather "). 17 
Los 10 pasos principales ¡ara construir un parque eólico según la American Wind Energy 
Association (A WEA) son 1 : 
• Estudiar los recursos del viento. Se debe de evaluar los recursos eólicos, así como la 
calidad del viento, en la zona de interés por lo menos durante un año: velocidades del 
viento, dirección, variabilidad, etc. 
• Determinar proximidad a líneas de transmisión