Operación
y mantenimiento
de parques eólicos


Por
Adonis Pérez Lorenzo*

Características de la generación eólica y forma óptima de explotación
de los parques eólicos

 

La generación eólica es una de las tantas soluciones viables y sostenibles que apoyan las redes eléctricas, sustituyendo cantidades significativas de combustibles fósiles que se dejan de quemar, lo que evita la emisión de gases que provocan efecto invernadero, además de reducir los costos de operación y mantenimiento en la generación convencional.

Por otra parte, la generación eólica posee características que la distinguen marcadamente, por ser una fuente de energía intermitente: depende del viento. Por tanto, la potencia de salida de un aerogenerador será el resultado de la característica instantánea del viento que incide sobre las palas del rotor eólico.

El viento, que es el aire en movimiento, es un fenómeno muy aleatorio y sus parámetros característicos fundamentales, con incidencia en la generación eólica, son:
• Su variación de velocidad, que depende del proceso sinóptico que haya en el área a nivel de la macro-escala (entre 500 y 1 000 km), y fundamentalmente de la topología del terreno donde está emplazado el parque de aerogeneradores, a un nivel de micro-escala (menos de 50 m). Los procesos sinópticos determinan los períodos de calma, en los que no hay viento.
• Su densidad, que depende de la temperatura del aire y de la presión atmosférica de la zona.
• Su turbulencia, fenómeno motivado por gradientes térmicos de las masas de aire y por obstáculos que se interponen entre los aerogeneradores y el viento incidente, como árboles, lomas, construcciones cercanas y los propios aerogeneradores que pueden apantallarse unos a otros.
• Su dirección, que depende de los procesos sinópticos y orográficos de la zona.

Todo esto condiciona las características de la generación eólica, y debido a la tecnología, la operación y mantenimiento de los parques eólicos (O+M), también son muy peculiares. A continuación se describen las características con respecto a parámetros energéticos y de O+M.


Características de la energía entregada

1. La potencia de salida de los aerogeneradores es variable, y depende de la velocidad del viento instantánea que incida sobre las palas del rotor eólico, describiendo una curva de potencia-velocidad del viento (P-v), como la mostrada en la figura 2, de un aerogenerador Ecotècnia 28/225, de 225 kW, ubicado en el Parque Eólico Demostrativo de Turiguanó.


Fig. 2. Curva P-v de un aerogenerador Ecotècnia 28/225,
del Parque Eólico Demostrativo de Turiguanó.



Fig. 3. Variaciones de la potencia instantánea
de salida de un aerogenerador tipo, o la potencia
equivalente entregada a la red por un parque eólico.


La curva de potencia de un aerogenerador es su carta de presentación, ya que expresa la velocidad del viento de arranque (4 m/s), la velocidad de viento de trabajo a potencia parcial (entre 4 y 14 m/s), la velocidad de viento en la que entrega su potencia nominal (14 m/s) y la velocidad de parada de seguridad de la máquina (16 m/s).

2. El gradiente de incremento y decremento de la potencia de salida del parque eólico en las redes donde está conectado, es notable. Existen redes donde no se puede introducir bruscamente la generación, debido a que podría provocar situaciones de inestabilidad, con un gradiente de limitación de potencia determinado.

Las variaciones de la velocidad del viento hacen que la potencia instantánea de salida del aerogenerador, o de un parque en general, sea variable, como se muestra en la figura 3. Se pueden tener variaciones importantes de la potencia, con gradientes de, por ejemplo, 3 MW en tres minutos. La potencia de salida de un parque eólico en su conjunto puede ser menos variable, ya que el viento que incide en cada aerogenerador no es el mismo, por la distancia que hay entre ellos, máxime si el parque está compuesto por un gran número de aerogeneradores.

3. Con respecto a la turbulencia del viento, se conoce que el campo de viento que enfrenta un rotor eólico no es isotrópico ni homogéneo, ya que depende de los gradientes térmicos de las masas de aire que están incidiendo en cada momento, y de la orografía y topología del terreno en el que está emplazado el parque, provocando una gran no-uniformidad del viento. Esto incrementa las variaciones de potencia, como las mostradas en la figura 3, y vibraciones en las palas que se reflejan en la torre y los cimientos, trayendo consigo la fatiga de los materiales y componentes del aerogenerador. La figura 4 representa un esquema aproximado del viento que enfrenta un aerogenerador.


Fig. 4. No uniformidad del viento que enfrenta
un aerogenerador debido al fenómeno de la turbulencia.

En la prospección eólica es importante determinar el porcentaje de turbulencia de la posible zona de emplazamiento del parque, para evitar problemas en el futuro, o prever el tipo de aerogenerador que se debe utilizar. Si la turbulencia es muy grande, es conveniente abandonar la zona y buscar otra mejor.

4. La regulación de potencia y tensión no es tan precisa como sucede en la generación convencional, y se realiza de forma diferente según el tipo de aerogenerador. En aerogeneradores de velocidad fija se limita la potencia y no existe regulación de tensión, sólo se compensa la potencia reactiva para mantener un f.p. lo más cercano posible a la unidad; y en aerogeneradores de velocidad variable, se controla la potencia y la tensión de salida, ya que poseen un inversor con electrónica de potencia a su salida, que hace que la red lo admita como un generador sincrónico convencional.

5. Produce variaciones de tensión y frecuencia en sistemas eléctricos débiles, o con alta penetración eólica. Esto depende del tipo de aerogenerador utilizado y de la estrategia de operación del parque.

6. Se requiere que los puntos de conexiones de los parques eólicos con las redes sean fuertes, caracterizados por una potencia de cortocircuito alta. Esto depende del tipo y características de la red en el que está o se va a conectar el parque; por ejemplo, las redes radiales son desfavorables y las redes en anillos o lazos son más ventajosas, sobre todo si la potencia instalada en el parque es grande (más de 5 MW).

7. Se debe tener una generación de base todo el tiempo, ya que pueden aparecer variaciones importantes de las velocidades del viento y períodos de calma en las que el parque entregará poca potencia, o dejará de generar. Esto no significa que se necesite una gran potencia rodante, ya que una buena estrategia de operación del parque y del sistema, así como una buena herramienta de predicción de la generación eólica, permiten minimizar este problema.

La generación conectada a la red es controlada en los despachos por el operador del sistema, y éste puede controlar la entrada o salida del parque de la red en los momentos oportunos, en función de la disponibilidad de generación convencional, o de la demanda del sistema, para generar a una potencia determinada. Todo esto, cuando la penetración eólica en una red determinada es regular; por ejemplo, a partir de 5 MW la predicción de la generación eólica es obligatoria, permitiendo una mayor disponibilidad de potencia eólica en la red, además de flexibilizar la estrategia del despacho, reducir los consumos de combustibles fósiles, disminuir las emisiones de CO2 a la atmósfera y reducir los costos de O+M en la generación.

8. No participa en el control del sistema eléctrico, debido fundamentalmente a las regulaciones y normativas vigentes en el sector eléctrico. El desarrollo de la tecnología de la generación eólica es más rápido que los cambios que se introducen en estas regulaciones y normativas: prevalece la visión tradicional de las redes y la generación.

Actualmente se fabrican aerogeneradores, como por ejemplo, los de Enercon, Vestas y otros, con prestaciones que le permiten intervenir en el control de las características de potencia activa-frecuencia y tensión-potencia reactiva del sistema, como se hace en la generación convencional, e incluso permiten que los parques trabajen aislados de las redes, abasteciendo energía en función del viento disponible y de la estrategia de operación del parque.

9. No se puede programar como ocurre en la generación convencional (que no se pueda programar no significa que no se pueda predecir). Con una buena herramienta de predicción a corto plazo, entre 1 y 24 horas, y a mediano plazo, entre 24 y 48 horas, la generación eólica se puede programar con un determinado margen de probabilidad, que depende fundamentalmente de la resolución de la predicción del viento.

La red del Sistema Electroenergético Nacional (SEN) actualmente posee generación distribuida, y si se decide que la generación eólica forme parte importante del balance energético del SEN, se impone desarrollar una herramienta de predicción de la generación eólica, para lograr mayor disponibilidad de los parques eólicos.

10. La generación eólica puede provocar deterioros en la calidad de la energía de la red. Esto también depende en gran medida del tipo de aerogenerador empleado. Por ejemplo, los aerogeneradores de velocidad fija, como los de Turiguanó y Los Canarreos (en la Isla de la Juventud), poseen generadores de inducción (asincrónicos) que consumen potencia reactiva de la red según el grado de carga que tengan, lo que trae variaciones en el nivel de la tensión de la red. Ellos incorporan para la entrada y salida de sus generadores puentes de tiristores que producen distorsión de la onda de corriente y tensión, los conocidos armónicos y flickers.

En aerogeneradores de velocidad variable, como los de Gibara 1 en Holguín, aunque tienen generadores de inducción doblemente alimentados, el devanado del rotor se dota con un inversor a base de electrónica de potencia, que produce una regulación suave de su potencia de salida, y el consumo de la potencia reactiva también es controlado por el inversor, lo que facilita que el factor de potencia esté en 1, y permite reajuste, lo que provoca menos variaciones de tensión en las redes.

Los de velocidad variable con generadores sincrónicos multipolos poseen un convertidor a la salida del generador (full converter), que hace que la red los admita como generadores convencionales, pero el empleo de inversores trae asociados armónicos que deterioran la calidad de las ondas de tensión y corriente en las redes.
En resumen, estos no son problemas que no puedan ser solucionados, ya que con la conexión en los generadores de filtros de absorción de armónicos y bancos de capacitores a la salida del parque, se pueden eliminar o reducir a valores admisibles normados.

Por lo tanto, la potencia eólica entregada a la red eléctrica es un reflejo de las características del viento, pero con el desarrollo de la tecnología muchos de estos problemas están resueltos y cada vez se le incorporan nuevas prestaciones a los generadores eólicos, lo que permite introducir una cuota mayor de energía limpia en la capacidad de generación de muchos países (Fig. 5).


Fig. 5. Con el desarrollo de la tecnología, se
incorporan nuevas prestaciones en los parques eólicos.


Características de la O+M

El sector eólico es de muy alto riesgo, debido a que conlleva la realización de trabajos en altura, con manejo de grandes pesos con grúas de alto tonelaje, riesgos eléctricos, sobreesfuerzos, espacios muy confinados, etc. Por otra parte, continuamente se están añadiendo al mercado nuevos aerogeneradores y nuevos componentes, lo que hace a este sector muy dinámico tecnológicamente.

A continuación se relacionan los principales rasgos de la tecnología que inciden en las características que tiene la O+M de los parques eólicos:

1. Altura de los aerogeneradores. Son altos para aprovechar mejor las ventajas que ofrece el viento a mayor altura y dar espacio al diámetro del rotor, lo que hace difícil y complejo realizar los mantenimientos en la góndola y las palas.

El ascenso por la torre para llegar a la góndola y la raíz de las palas, es difícil, ya que requiere un sobreesfuerzo por la escalera y el uso de equipos de protección individuales, compuestos por arnés, ganchos, mosquetones, cascos, algunas herramientas, etc. También, los espacios entre el generador, multiplicador, grupo hidráulico, motores y moto-reductores de orientación, y otros componentes dentro de la góndola, son estrechos y hay riesgo de trabarse entre ellos, o sufrir algún accidente por estar girando. Las torres de los aerogeneradores y las góndolas son espacios confinados, en los que los riesgos de incendio y la emanación de sustancias tóxicas y cancerígenas están presentes.

Los equipos de protección tienen que formar parte del cuerpo del personal de O+M de los parques, y nunca se debe acceder sin compañía a un aerogenerador; como mínimo en parejas y con contacto por radio entre ellos y el resto del personal que labora en el parque.

2. Separación entre aerogeneradores. Las máquinas se ubican sobre el terreno manteniendo cierta distancia entre ellos, para aprovechar el viento que puede venir de cualquier dirección. Este distanciamiento es vital para que cada aerogenerador trabaje sin la influencia de la proximidad de los demás, con lo que se reduce el efecto estela que provoca el rotor girando de un aerogenerador sobre otro que esté al lado, al frente o detrás.

Esto hace que el personal de O+M se tenga que desplazar en grandes distancias entre los aerogeneradores, que pueden oscilar entre 60 y 500 m unos de otros, lo que es un problema más serio cuando el parque está compuesto por un gran número de aerogeneradores; por ejemplo, para trasladarse de la máquina 1 a la 3 para realizar un mantenimiento, o realizar una simple inspección de rutina, ello implica desplazarse más de un kilómetro. Esto infiere la necesidad de un transporte automotor, idealmente eléctrico para que pueda recargarse con la propia energía que produce el parque.

3. Distancia hasta los parques eólicos. Generalmente las mejores zonas de viento están lejos de los pueblos o se encuentran próximas a las costas, como es el caso de Cuba, y puede haber una zona con uno o varios parques eólicos. Esto hace que el personal de O+M se tenga que mover hacia estos parques diariamente para realizar su operación y mantenimiento, y el riesgo de accidente al transportarse por carreteras, bajo diversas condiciones climáticas, siempre está presente.

Para asistir a una avería o una operación en un aerogenerador, mientras sea de día y se está en la zona del parque, se acude a ella sin mucha dificultad; pero si es de noche se debe tener en cuenta que si la velocidad del viento es alta, el parque cuenta con pocos aerogeneradores y existe más de un aerogenerador parado, se debe asistir a la avería o a la operación que se requiera; pero si se trata de un solo aerogenerador que está parado y la velocidad del viento es baja, no es indispensable acudir al aerogenerador hasta el otro día por la mañana.

Cuando se tiene una zona con varios parques eólicos, es una buena práctica tener personal de mantenimiento de guardia las 24 horas del día, con movilidad y buena comunicación entre ellos y con los operadores de los parques. Con esto se logra una mayor disponibilidad y, por tanto, mayor generación.

Si está lloviendo, se valora más la decisión; pero si hay tormenta nunca se debe acudir al parque, ni acercarse a ningún aerogenerador: se debe buscar refugio dentro del carro, o preferiblemente dentro de la caseta de operación del parque. Cuando se observa la formación de una tormenta sobre el parque, o se acerca una, todos deben alejarse razonablemente del parque o de los aerogeneradores.

4. Los aerogeneradores siempre están expuestos a los diferentes fenómenos climáticos, como los huracanes, tormentas locales severas, heladas, tornados y, excepcionalmente, los terremotos. En el caso de los huracanes, desde su formación se les da seguimiento y se preparan los aerogeneradores. Los restantes fenómenos son difíciles de predecir.

Una vez tomadas las medidas preventivas para reducir los daños materiales en los parques, todo el personal tiene que retirarse: nunca se debe quedar nadie cuidando nada ni mucho menos ir al parque bajo condiciones del tiempo deterioradas, para evitar accidentes o pérdidas de vidas humanas. Tampoco la caseta de operación del parque resulta un lugar seguro.

Los aerogeneradores tienen diferentes clases de construcción en función de las velocidades de vientos máximas que pueden soportar. Así, por ejemplo, los de Clase A, como los instalados en Cuba, soportan un huracán de quinta categoría. Hay experiencias internacionales en países como Jamaica, cuyo parque eólico Wigton de 20 MW ha soportado más de tres huracanes de esta categoría y ninguno de sus 23 aerogeneradores ha sufrido daños estructurales.

Cuba cuenta con la experiencia de Gibara 1 y los aerogeneradores abatibles de Los Canarreos, por los que pasaron huracanes de cuarta y quinta categorías, sin sufrir daños estructurales según su tecnología.

5. Continua evolución tecnológica. Como consecuencia, hay diseños de componentes poco probados y sólo se dispone de poca experiencia en general, salvo en las máquinas que llevan mucho tiempo funcionando.

Es necesario tener actualizada la tecnología de aerogeneradores que se posea, lo que se conoce en el argot del sector como retrofit. Se tendrán problemas de repuesto a futuro y altos costos en las mejoras, puestos que al ser poco probados los componentes normalmente puede suceder que haya que hacer retrofit con bastante frecuencia, lo que acarrea consumo de materiales y, por tanto, costos de mantenimientos desconocidos a mediano y largo plazos.

Un contrato que contemple estos problemas, junto a las especificaciones técnicas, permite ubicar los costos de explotación dentro de un rango aceptable, sin permitir alargarse el tiempo de amortización de la inversión. Todos los errores que se cometan cuando se está elaborando el contrato, elevan los costos de mantenimiento.

Tecnológicamente el sector eólico es muy noble, debido a la madurez de la tecnología y la calidad de los componentes empleados en la construcción y fabricación de los aerogeneradores, lo que trae uno de los más bajos costos de O+M del sector energético, solamente superado por la generación en la modalidad de ciclo-combinado. Los números de averías en la generación eólica, comparándolos con la generación convencional, son bajos.

Las características del viento de Cuba no son tan extremas, como en la mayoría de las zonas con parques eólicos, por ejemplo, como las que existen en el parque La Venta, en México, en la mayoría de los parques españoles, en la Patagonia, etc., donde los aerogeneradores pueden pasar más de 30-50% del tiempo anual funcionando a potencia nominal, lo que implica mayor solicitud de los sistemas de limitación y control de potencia de las máquinas y sobrecargas estructurales. Por las características del viento en Cuba, se produce una buena entrega de energía eólica a la red, con bajos costos de O+M.

Una buena práctica en la operación, los mantenimientos, la elaboración y gestión de los contratos, la adquisición del tipo de aerogenerador más conveniente para Cuba y un correcto análisis de los resultados de explotación, tomada de experiencias internacionales y nacionales, harán de la generación eólica en el país una fuente energética ambiental y económicamente sostenible. La generación eólica se impone pese a sus actuales insuficiencias, ya que el desarrollo tecnológico las resuelve y seguirá resolviendo. Es una fruta muy saludable de la que hay que echar más en el cóctel de la generación eléctrica.

* Ingeniero Eléctrico. Especialista en generación eólica
y Responsable del Parque Eólico Demostrativo de Turiguanó,
Empresa Eléctrica Provincial de Ciego de Ávila, Cuba.
e-mail: ciegonorte@enet.cu