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ENERGÍA EÓLICA – Dr. Ricardo Guerrero Lemus

LAS ENERGÍAS RENOVABLES: UNA APUESTA DE FUTURO EN LAS ISLASUniversidad Ambiental de La Palma: Cursos de Verano. Los Llanos de Aridane, 17 – 21 de septiembre de 2007

ENERGÍA EÓLICA

Dr. Ricardo Guerrero Lemus

2LAS ENERGÍAS RENOVABLES: UNA APUESTA DE FUTURO EN LAS ISLASUniversidad Ambiental de La Palma: Cursos de Verano. Los Llanos de Aridane, 17 – 21 de septiembre de 2007

La energía eólica en forma de electricidad se obtiene de la conversión de la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) actuando sobre las palas de un rotor.

RECURSOS EÓLICOS:

- El máximo calentamiento del aire se produce en el ecuador y comienza a desplazarse hacia el norte.- La fuerza de Coriolis lo hace girar.- Se producen vientos superficiales por variaciones de temperatura (mar-tierra) o accidentes orográficos.

CLASES DE VIENTO:

Hurracán12 >65 >34

11 56-65 29-34 Fuerte

temporal 10 48-56 25-29

9 41-48 21-25 Temporal

8 34-41 17-21

7 28-34 14-17 Fuerte

6 22-28 11-14

Fresco 5 17-22 8,5-11

Moderado 4 11-17 5,8-8,5

3 7-11 3,6-5,8

2 3,5-7,0 1,8-3,6 Ligero

1 0,9-3,5 0,4-1,8

Calma 0 0,0-0,9 0,0-0,4

nudosm/sViento

Escala Beaufort

(anticuada)

Velocidades de viento a 10 m de altura

Escala de velocidades de viento

DENSIDAD DEL AIRE:

La energía del vientoes proporcional a su masa.

*) La densidad del aire seco a la presión atmosférica estándar al nivel del mar a 15° C se utiliza como estándar en la industria eólica.

0,0511,12710440

0,0391,1469535

0,0301,1658630

0,0231,1847725

0,0171,2046820

0,0131,225 *)5915

0,0091,2475010

0,0071,269415

0,0051,292320

1,31723-5

1,34214-10

1,3685-15

1,395-4-20

1,423-13-25

Contenido de agua máx.

kg/m 3

Densidad, es decir, masa de aire seco

kg/m 3

Temperatura ° Farenheit

Temperatura° Celsius

Densidad del aire a presión atmosférica estándar

AREA DE BARRIDO DEL ROTOR:

- El aerogenerador frena el viento y se desvía ⇒ no podremos extraer toda suenergía.

Distribución de presiones

POTENCIA DEL VIENTO:

Es proporcional a cubo de la velocidad.

( ) 32322 ···21··

21···

21 VrVAVVAVtmpotencia ρπρρ ===⋅=

**) Para una densidad del aire de 1,225 kg/m 3 , correspondiente al aire seco a la presión atmosférica estándar al nivel del mar y a 15° C.

7452,3 23 2067,2 15 210,1 7

6521,9 22 1680,7 14 132,3 6

5672,4 21 1345,7 13 76,5 5

4900,0 20 1058,4 12 39,2 4

4201,1 19 815,2 11 16,5 3

3572,1 18 612,5 10 4,9 2

3009,2 17 446,5 9 0,6 1

2508,8 16 313,6 8 0 0

W/m 2 m/sW/m 2 m/sW/m 2 m/s

Densidad superficial de potencia del viento **)

ANEMÓMETROS:

-Mecánicos y no mecánicos.-Importancia de la posición del mástil.

ROSA DE LOS VIENTOS:

-Cuña exterior: % de tiempo que sopla el viento.-Cuña intermedia: % de tiempo que sopla el viento × velocidad del viento.-Cuña roja: % de tiempo que sopla el viento ×(velocidad del viento)3.

CIZALLAMIENTO DEL VIENTO:

si (longitud <= 0.03)

clase = 1.699823015 + ln(longitud)/ln(150)

si(longitud > 0.03)

clase = 3.912489289 + ln(longitud)/ln(3.3333333)

Ciudades muy grandes con edificios altos y rascacielos 13 1,6 4

Ciudades más grandes con edificios altos 18 0,8 3,5

Pueblos, ciudades pequeñas, terreno agrícola, con muchos o altos setos resguardantes, bosques y terreno accidentado y muy desigual

24 0,4 3

Terreno agrícola con muchas casas, arbustos y plantas, o setos resguardantes de 8 metros de altura con una distancia aproximada de 250 m.

31 0,2 2,5

Terreno agrícola con algunas casas y setos resguardantes de 8 metros de altura con una distancia aproximada de 500 m.

39 0,1 2

Terreno agrícola con algunas casas y setos resguardantes de 8 metros de altura con una distancia aproximada de 1250 m.

45 0,055 1,5

Área agrícola abierta sin cercados ni setos y con edificios muy dispersos. Sólo colinas suavemente redondeadas

52 0,03 1

Terreno completamente abierto con una superficie lisa, p.ej., pistas de hormigón en los aeropuertos, césped cortado, etc.

73 0,0024 0,5

Superficie del agua 100 0,0002 0

Tipo de paisaje

Índice de

energía (%)

Longitud de

rugosidad m

Clase de

rugosidad

VELOCIDAD DEL VIENTO A CIERTA ALTURA SOBRE EL SUELO:

v = vrefln(z/z0) / ln(zref/z0);

v = velocidad del viento a una altura z sobre el nivel del suelo.

vref = velocidad de referencia, es decir, una velocidad de viento ya conocida a una altura zref.

z = altura sobre el nivel del suelo para la velocidad deseada, v.

z0= longitud de rugosidad en la dirección de viento actual.

OBSTÁCULOS:

-Dejan estela.-Fijan la altura de la turbina.-Depende del nivel de porosidad.

TURBULENCIA DEL AEROGENERADOR:

-Efecto en el parque.

EFECTOS ACELERADORES:

-Efecto túnel.-Efecto colina.

DISTRIBUCIÓN DE WEIBULL:

-Velocidad media: 7 m/s.-Mediana: 6.6 m/s.-Valor modal de la distribución: 5.5 m/s (velocidades más comunes).-Parámetro de forma: 2.

LEY DE BETZ:

-Sólo puede convertirse menos de 16/27 (59%) de la energía cinética en mecánica usando un aerogenerador (1926).

POTENCIA DISPONIBLE:

-Velocidad de conexión: 3-5 m/s.-Velocidad de corte: 25 m/s

CURVA DE POTENCIA DE UN AEROGENERADOR (600 Kw):

-Indica la potencia eléctrica disponible en el aerogenerador a distintas velocidades de viento.-Los errores en la medida de la velocidad se elevan al cubo en la medida de la potencia.

COEFICIENTE DE POTENCIA:

-Indica con qué eficiencia el aerogenerador convierte la energía del viento en electricidad.-En este caso se obtiene una eficiencia máxima del 44% a 9 m/s.- El punto de eficiencia máxima es elegido por los ingenieros en la zona de velocidades de viento más comunes.

FACTOR DE CARGA:

-Producción anual de energía dividida por la producción teórica máxima, es decir, si la máquina estuviera trabajando a su potencia nominal las 8766 horas del año.

-Ejemplo: si una turbina de 600 kW produce 1,5 millones de kW·h al año, su factor de carga es 1.500.000 : (365,25 * 24 * 600) = 1.500.000 : 5.259.600 = 0,285 = 28,5 por ciento.

-Los factores de carga suelen situarse entre el 20-30 por ciento.

Dilema: a) producción de potencia media relativamente estable (cerca del óptimo de

velocidad de viento) con un alto factor de carga, b) una alta producción de energía con un bajo factor de carga (menor

mantenimiento).

COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR:

-góndola.-buje.-palas: giran a 19 – 30 r.p.m.-multiplicador: 1500 r.p.m. (x50).-generador eléctrico: hasta 4.5 MW.-mecanismo de orientación.-unidad de refrigeración.-anemómetro y veleta.-controlador electrónico.

AERODINÁMICA DE UN AEROGENERADOR:

-Sustentación.-Turbulencias.-Resistencia aerodinámica.

PALAS TORSIONADAS:

-Ángulo de ataque.-Pérdida de sustentación.

CONTROL DE POTENCIA:

-Aerogeneradores de regulación por cambio de ángulo de paso.

-Aerogeneradores de regulación por pérdida aerodinámica.

-Flaps.

-Desalineación del rotor (aerogeneradores pequeños).

TIPOS DE TORRE:

-Acero.

-Celosía.

PALAS:

-Plástico reforzado con fibra de vidrio (más habitual).-Fibra de carbono.-Aramidas (Kevlar).-Materiales compuestos de madera (fibra, epoxi).-Acero y aluminio (problemas de fatiga).

RAZONES PARA ELEGIR TURBINAS GRANDES:

-Economías de escala.-Instalaciones off-shore.-Escasez de emplazamientos.-Consideraciones estéticas (son menos y giran más despacio).

RAZONES PARA ELEGIR TURBUNAS PEQUEÑAS:

-Red eléctrica local débil.-Evitar fluctuaciones en la electricidad de salida del parque eólico.-Coste de las grúas y carreteras.-Reparto de riesgo de fallo.

SEGURIDAD:

-Sensor de vibraciones.--Sensor de tensión de cables.-Ensayos de carga y fatiga.-Protección contra embalamiento.-…

GENERADORES:

-Suelen trabajar con un voltaje de 690 V.-Corriente alterna trifásica.-Fase de 50 – 60 Hz.-Elevadores a 10 – 30 kV.-Conexión indirecta a la red.-Síncronos o asíncronos.-Cambio de velocidad de giro (rotor-estator).

CONEXIÓN INDIRECTA A RED:

Corriente alterna de frecuencia variable

Corriente contínua Corriente alterna conmutada (irregular)

Corriente alterna a la frecuencia de red

AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL:

Ventajas

-Generador, multiplicador, etc., en el suelo.-No necesita mecanismo de orientación.

Desventajas

-Velocidades muy bajas a nivel de suelo.-Baja eficiencia.-No es de arranque automático.-Necesita cables tensores que la sujeten.-Necesidad de desmontar toda la máquinacon ciertas averías.

NÚMERO DE PALAS:

-Una.-Dos.-Tres.-Número par.-Múltiples palas.

VARIACIONES DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO:

-Diarias.

-Anuales.

-Interanuales.

PRECIO DE UN AEROGENERADOR:

VAN (valor actual neto) o VPN: procedimiento que permite calcular el valor presente de un determinado número de flujos de caja futuros, descontando una determinada tasa o tipo de interés igual para todo el período considerado.

TIR (Tasa Interna de Rentabilidad) de una inversión: tasa de interés con la cual el valor actual neto (VAN) es igual a cero.

Payback: momento en que se recupera la inversión.

Ïndice de potencia (€/kW): coste del kW instalado.

Índice de energía (€/kW·h): inversión total / energía producida anualmente.

POTENCIA EÓLICA INSTALADA Y A INSTALAR EN CANARIAS:(PECAN)

COMPORTAMIENTO DE LA CURVA DE DEMANDA:

GENERACIÓN INSTALADA:

MONÓTONAS DE PRODUCCIÓN EÓLICA:

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