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Óscar López Corma
Sistemas de Potencia
09/12/2013
ENERGÍA EÓLICA
Trabajo sobre la Energía Eólica
1 Óscar López Corma SDP
ÍNDICE
01- Introducción ........................................................................................ 2 02- Algo de historia .................................................................................... 2 02.1- En Europa ................................................................................... 2 02.2- Molinos de bombeo ................................................................... 3 02.3- Turbinas modernas ..................................................................... 3 03- Obtención de la energía ...................................................................... 4 04- Parques eólicos .................................................................................... 4 05- Aerogeneradores ................................................................................. 5 06- Componentes de un aerogenerador ................................................... 6 07- Funcionamiento de un aerogenerador ................................................ 8 08- Tipos de aerogeneradores ................................................................... 8 08.1- Por la posición del aerogenerador ............................................. 8 08.2- Por la posición del equipo con respecto al viento ...................... 9 08.3- Por el número de palas............................................................. 10 08.4- Por la manera de adecuar la orientación del equipo ............... 11 09- Almacenamiento ............................................................................... 11 10- Capacidad .......................................................................................... 12 11- Torres ................................................................................................. 12 12- Energía eólica en España ................................................................... 12 13.1- Ventajas .......................................................................................... 13 13.2- Desventajas .................................................................................... 13 14- Inconvenientes técnicos .................................................................... 13 15- Bibliografía ........................................................................................ 15
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01- Introducción: Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles de energía para las actividades humanas, como mecánica o eléctrica. La energía eólica se considera una forma indirecta de energía solar, puesto que el sol, al calentar las masas de aire, produce un incremento de la presión atmosférica y con ello el desplazamiento de estas masas a zonas de menor presión. Así se da origen a los vientos como un resultado de este movimiento, cuya energía cinética puede transformarse en energía útil, tanto mecánica como eléctrica.
02- Algo de historia: 02.1- En Europa En Europa los primeros molinos aparecieron en el siglo XII en Francia e Inglaterra y se distribuyeron por el continente. Eran unas estructuras de madera, conocidas como torres de molino, que se hacían girar a mano alrededor de un poste central para levantar sus aspas al viento. El molino de torre se desarrolló en Francia a lo largo del siglo XIV. Consistía en una torre de piedra coronada por una estructura rotativa de madera que soportaba el eje del molino y la maquinaria superior del mismo. Estos primeros ejemplares tenían una serie de características comunes. De la parte superior del molino sobresalía un eje horizontal. De este eje partían de cuatro a ocho aspas, con una longitud entre 3 y 9 metros. Las vigas de madera se cubrían con telas o planchas de madera. La energía generada por el giro del eje se transmitía, a través de un sistema de engranajes, a la maquinaria del molino emplazada en la base de la estructura. Los molinos de eje horizontal fueron usados extensamente en Europa Occidental para moler trigo desde la década de 1180 en adelante. Basta recordar los ya famosos molinos de viento en las andanzas de Don Quijote. Todavía existen molinos de esa clase, por ejemplo, en Holanda.
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02.2- Molinos de bombeo En Estados Unidos, el desarrollo de molinos de bombeo, reconocibles por sus múltiples velas metálicas, fue el factor principal que permitió la agricultura y la ganadería en vastas áreas de Norteamérica, de otra manera imposible sin acceso fácil al agua. Estos molinos contribuyeron a la expansión del ferrocarril alrededor del mundo, supliendo las necesidades de agua de las locomotoras a vapor.
02.3- Turbinas modernas Las turbinas modernas fueron desarrolladas a comienzos de 1980, si bien, los diseños continúan desarrollándose.
03- Obtención de la energía: La obtención de la energía eléctrica la obtenemos mediante aerogeneradores. Que son los encargados de transformar la energía del viento en energía eléctrica.
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Los aerogeneradores dependen del viento de la zona, en la que han sido construidos, para producir energía eléctrica, siendo la velocidad del viento un factor clave para el funcionamiento. Se pondrán en marcha entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada "cut-in speed", y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada "cut-out speed".
04- Parques eólicos: Un parque eólico es una agrupación de aerogeneradores que transforman la energía eólica en energía eléctrica. Los parques eólicos se pueden situar en tierra o en el mar (ultramar), siendo los primeros los más habituales, aunque los parques offshore (marinos) han experimentado un crecimiento importante en Europa en los últimos años. El número de aerogeneradores que componen un parque es muy variable, y depende fundamentalmente de la superficie disponible y de las características del viento en el emplazamiento. Antes de montar un parque eólico se estudia el viento en el emplazamiento elegido durante un tiempo que suele ser superior a un año. Para ello se instalan veletas y anemómetros. Con los datos recogidos se traza una rosa de los vientos que indica las direcciones predominantes del viento y su velocidad. Los parques eólicos proporcionan diferente cantidad de energía dependiendo de las diferencias sobre diseño, situación de las turbinas, y por el hecho de que los antiguos diseños de turbinas eran menos eficientes y capaces de adaptarse a los cambios de dirección y velocidad del viento. A pesar de que el impacto ambiental de las plantas eólicas es relativamente pequeño comparado con otras formas de generación, los aerogeneradores producen contaminación acústica y visual. Asimismo se cree que puede existir impacto importante en la fauna ya que las aves no son capaces de ver las aspas cuando éstas giran. Pero los mayores inconvenientes de esta fuente energética son que: es intermitente y no siempre puede obtenerse la potencia deseable; no puede ser almacenada como energía eólica, cosa que encarece el coste; es dispersa y se necesitan grandes superficies. Sin embargo el terreno utilizado para los parques puede ser aprovechado para actividades agrícolas, zonas de recreo. Comienza además a haber problemas de emplazamiento: hay menos energía al abrigo del viento de una turbina (y más turbulencia) que delante de ella. En parques eólicos, los aerogeneradores suelen espaciarse entre 150 y 300 metros los unos de los otros o con otros obstáculos. Evitar interferencias entre aerogeneradores requiere grandes superficies para instalar los parques y podemos considerar que en cada región existe una potencia máxima extraíble. España tiene, a fecha de finales de 2011, 19.259 MW de potencia eólica instalada, que representa el 16% de la demanda total.
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05- Aerogeneradores: Son los encargados de trasformar la energía cinética del viento en energía eléctrica. Es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el viento (turbina eólica). En este caso, la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento, proporciona energía mecánica a un rotor hélice que, a través de un sistema de transmisión mecánico, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o agrupados en parques eólicos o plantas de generación eólica, distanciados unos de otros, en función del impacto ambiental y de las turbulencias generadas por el movimiento de las palas. Para aportar energía a la red eléctrica, los aerogeneradores deben estar dotados de un sistema de sincronización para que la frecuencia de la corriente generada se mantenga perfectamente sincronizada con la frecuencia de la red.
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06- Componentes de un aerogenerador:
La góndola Contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador eléctrico. El personal de servicio puede entrar en la góndola desde la torre de la turbina. A la izquierda de la góndola tenemos el rotor del aerogenerador, es decir las palas y el buje.
Las palas del rotor Capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador moderno de 600 KW. Cada pala mide alrededor de 20 metros de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un avión.
El buje
El buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador.
El eje de baja velocidad Conecta el buje del rotor al multiplicador. En un aerogenerador moderno de 600 Kw. El rotor gira muy lento, a unas 19 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.) El eje contiene conductos del sistema hidráulico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámicos.
El multiplicador Tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que está a su derecha gire 50 veces más rápido que el eje de baja velocidad.
El eje de alta velocidad Gira aproximadamente a 1.500 r.p.m. lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.
El generador eléctrico Suele ser un generador asíncrono o de inducción. En los aerogeneradores modernos la potencia máxima suele estar entre 500 y 1.500 KW.
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El controlador electrónico Es un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier disfunción (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador o en el generador), automáticamente para el aerogenerador y llama al ordenador del operario encargado de la turbina a través de un enlace telefónico mediante modem.
La unidad de refrigeración Contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador eléctrico. Además contiene una unidad refrigerante por aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores refrigerados por agua.
La torre Soporta la góndola y el rotor. Generalmente es una ventaja disponer de una torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos del nivel del suelo. Una turbina moderna de 600 Kw. Tendrá una torre de 40 a 60 metros (la altura de un edificio de 13 a 20 plantas). Las torres pueden ser bien torres tubulares o torres de celosía. Las torres tubulares son más seguras para el personal de mantenimiento de las turbinas ya que pueden usar una escalera interior para acceder a la parte superior de la turbina. La principal ventaja de las torres de celosía es que son más baratas.
El mecanismo de orientación Está activado por el controlador electrónico, que vigila la dirección del viento utilizando la veleta.
El anemómetro y la veleta Las señales electrónicas de anemómetro son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para conectarlo cuando el viento alcanza aproximadamente 5 m/s. El ordenador parará el aerogenerador automáticamente si la velocidad del viento excede de 25 m/s, con el fin de proteger a la turbina y sus alrededores. Las señales de la veleta son utilizadas por el controlador electrónico para girar el aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de orientación.
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07- Funcionamiento de un aerogenerador: Cuando el anemómetro y veleta detectan una velocidad del viento de más 4 m/s aproximadamente, el controlador electrónico activará el mecanismo de orientación situando el buje y las palas del rotor en dirección favorable para su movimiento. El viento choca contra la pala y debido a su disposición dinámica, hará que el rotor empiece a girar. El rotor está conectado a un eje de baja velocidad que a su vez conecta con la multiplicadora. En la multiplicadora la velocidad de giro aumenta significativamente llegando a aumentar las 30~ rpm del eje de baja velocidad hasta 50 veces más rápido. Esta velocidad de giro es transmitida al eje de alta velocidad que puede llegar a alcanzar las 1500 rpm y se conecta con el generador. Cuando el generador alcanza una velocidad a la que puede producir electricidad, transfiere la energía eléctrica (CC) al banco de baterías. Las palas entonces giraran a una velocidad constante, de unos 15 m/s manteniendo así una velocidad síncrona con los demás aerogeneradores de la instalación. En el mismo lugar donde están el banco de baterías está situado el convertidor, un aparato que convertirá la energía eléctrica de corriente continua en corriente alterna y también la dejará libre de fluctuaciones para no entorpecer, antes de enviarla, a la red eléctrica general.
08- Tipos de aerogeneradores: Pueden clasificarse, atendiendo a distintos criterios:
08.1- Por la posición del aerogenerador:
Eje Vertical Su característica principal es que el eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo. Son también llamados "VAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación inglesa "vertical axis wind turbines".
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Eje horizontal Son los más habituales y en ellos se ha centrado el mayor esfuerzo de diseño en los últimos años. Se los denomina también "HAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación inglesa "horizontal axis wind turbines".
08.2- Por la posición del equipo con respecto al viento:
A barlovento: Las máquinas corriente arriba tienen el rotor de cara al viento. La principal ventaja de los diseños corriente arriba es que se evita el abrigo del viento tras la torre. Con mucho la mayoría de los aerogeneradores tienen este diseño. Por otro lado, también hay algo de abrigo enfrente de la torre, es decir, el viento empieza a desviarse de la torre antes de alcanzarla, incluso si la torre es redonda y lisa. Así pues, cada vez que el rotor pasa por la torre, la potencia del aerogenerador cae ligeramente. El principal inconveniente de los diseños corriente arriba es que el rotor necesita ser bastante inflexible, y estar situado a una cierta distancia de la torre. Además una máquina corriente arriba necesita un mecanismo de orientación para mantener el rotor de cara al viento.
A sotavento: Las máquinas corriente abajo tienen el rotor situado en la cara a sotavento de la torre. La ventaja teórica que tienen es que pueden ser construidos sin un mecanismo de orientación, si el rotor y la góndola tienen un diseño apropiado que hace que la góndola siga al viento pasivamente. Sin embargo, en grandes máquinas ésta es una ventaja algo dudosa, pues se necesitan cables para conducir la corriente fuera del generador. Si la máquina ha estado orientándose de forma pasiva en la misma dirección durante un largo periodo de tiempo y no dispone de un mecanismo de orientación, los cables pueden llegar a sufrir una torsión excesiva. Un aspecto más importante es que el rotor puede hacerse más flexible. Esto supone una ventaja tanto en cuestión de peso como de dinámica de potencia de la máquina, es decir, las palas se curvarán a altas velocidades del viento, con lo que quitarán parte de la carga a la torre. El inconveniente principal es la fluctuación de la potencia eólica, debida al paso del rotor a través del abrigo de la torre. Esto puede crear más cargas de fatiga en la turbina que con un diseño corriente arriba.
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08.3- Por el número de palas:
Una pala Al tener sólo una pala estos aerogeneradores precisan un contrapeso en el otro extremo para equilibrar. La velocidad de giro es muy elevada. Su gran inconveniente es que introducen en el eje unos esfuerzos muy variables, lo que acorta la vida de la instalación.
Dos palas Los diseños bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y, por supuesto, su peso. Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida. Esto supone una desventaja tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual.
Tres palas La mayoría de los aerogeneradores modernos tienen este diseño, con el rotor mantenido en la posición corriente arriba, usando motores eléctricos en sus mecanismos de orientación. Este diseño tiende a imponerse como estándar al resto de los conceptos evaluados. La gran mayoría de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseño.
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Multipalas Con un número superior de palas o Multipalas. Se trata del llamado modelo americano, debido a que una de sus primeras aplicaciones fue la extracción de agua en pozos de las grandes llanuras de aquel continente.
08.4- Por la manera de adecuar la orientación del equipo a la dirección del viento en cada momento: El mecanismo de orientación de un aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento. Se dice que la turbina tiene un error de orientación si el rotor no está perpendicular al viento. Un error de orientación implica que una menor proporción de la energía del viento pasará a través del área del rotor (esta proporción disminuirá con el coseno del error de orientación) Por tanto, la eficiencia del mecanismo de orientación es fundamental para mantener el rendimiento de la instalación.
09- Almacenamiento: La energía producida por el generador eólico se almacena en el banco de baterías. El generador eólico transforma la energía del viento en corriente directa a 12 o 24 voltios DC y se conecta directamente al banco de baterías. Posee un sofisticado regulador electrónico de voltaje que vigila permanentemente el estado de carga de las baterías, mantiene un riguroso control sobre su velocidad de giro y compensa las pérdidas de tensión en la línea de conducción.
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10- Capacidad: La autonomía del sistema puede ser estimada de acuerdo a las tablas de potencia suministradas por el fabricante o mediante curvas estadísticas como la distribución. La siguiente tabla resume la potencia esperada de un generador de 1000 vatios bajo diferentes regímenes de viento.
Vel. promedio del viento (KM/H)
Descripción Estimado en KWh/mes
Estimado en KWh/día.
12,87 Brisa suave intermitente 60 2.0 14,48 Brisa suave y constante 90 3.0 16,09 Brisa moderada intermitente 125 4.2 17,70 Brisa moderada constante 160 5.3 19,31 Brisa moderada a fuerte intermitente 190 6.3 20,92 Brisa moderada a fuerte constante 215 7.2 22,53 Brisa fuerte 265 8.8
11- Torres: La mayoría de los grandes aerogeneradores se entregan con torres tubulares de acero, fabricadas en secciones de 20-30 metros con bridas en cada uno de los extremos, y son unidas con pernos "in situ". Las torres son tronco-cónicas (es decir, con un diámetro creciente hacia la base), con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material. Suelen medir entre 40 y 60 metros.
12- Energía eólica en España: La energía eólica en España es una fuente de energía eléctrica renovable en la que España ha sido pionera a nivel mundial, produciendo en 2007 el 20 % de la electricidad eólica mundial, y convirtiéndose en líder en investigación y desarrollo de esta tecnología. Desde la década de 2000 ha sufrido un aumento espectacular, incentivada por una legislación que estimulaba fuertemente las investigaciones y las inversiones en este sector (Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo3 ) mediante primas. A 30 de Abril de 2012 la potencia eólica instalada era de 21.288 MW (21 % de la potencia bruta instalada del sistema eléctrico nacional), cubriendo durante 2011 el 16 % de la demanda eléctrica. Además, desde el 2009 se trata así mismo de la tercera fuente de energía tras superar a la generada mediante carbón, y durante el mes de marzo de 2011 fue la principal tecnología de generación eléctrica del país (21% de la demanda). El día 6 de febrero de 2013 se produjo el máximo histórico de producción instantánea hasta entonces con 17.014 MW a las 15:50. Asimismo se produjo ese día el máximo de producción horaria con 16.900 MWh entre las 15 y las 16 horas y de producción diaria con 344.000 MWh.; lo que supuso la superación de producción de la segunda energía la producida en centrales nucleares en casi 2,50 veces. Esta es una potencia superior (más del doble) a la capacidad de generación de las seis centrales nucleares que hay en España (7.742,32 MW).
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13.1- Ventajas:
No produce emisiones dañinas para el medio ambiente.
Es inagotable.
Los parques eólicos con compatibles con otros usos (ganadería, agricultura...)
En menos de seis meses el aerogenerador recupera la energía gastada en su fabricación, instalación y mantenimiento.
Los aerogeneradores no requieren suministro de combustible por lo que son ideales para países en vías de desarrollo.
Su mantenimiento es escaso, sólo necesitan una revisión cada seis meses.
Su utilización combinada con otros tipos de energía, habitualmente la energía solar fotovoltaica, permite la autoalimentación de viviendas.
13.2- Desventajas:
Los aerogeneradores provocan un gran impacto paisajístico.
Las hélices pueden provocar daños en las aves que chocan contra ellas.
Contaminación acústica generada por el giro de las turbinas.
Los parques se instalan a menudo en zonas salvajes o vírgenes que quedan modificadas por las obras de instalación.
14- Inconvenientes técnicos:
Debido a la falta de seguridad en la existencia del viento, la energía eólica no puede ser utilizada como única fuente de energía eléctrica. Por lo tanto, para salvar los momentos sin suministro en la producción de energía eólica es indispensable un respaldo de las energías convencionales.
Al subir y bajar su producción cada vez que cambia la velocidad del viento, se desgasta más la maquinaría.
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Para evacuar la electricidad producida por cada parque eólico (que suelen estar situados además en parajes naturales apartados) es necesario construir unas líneas de alta tensión que sean capaces de conducir el máximo de electricidad que sea capaz de producir la instalación. Sin embargo, la media de tensión a conducir será mucho más baja. Esto significa poner cables 4 veces más gruesos, y a menudo torres más altas, para acomodar correctamente los picos de viento.
Además de la evidente necesidad de una velocidad mínima en el viento para poder mover las aspas, existe también una limitación superior: una máquina puede estar generando al máximo de su potencia, pero si el viento aumenta lo justo para sobrepasar las especificaciones del aerogenerador, es obligatorio desconectar ese circuito de la red o cambiar la inclinación de las aspas para que dejen de girar, puesto que con viento de altas velocidades la estructura puede resultar dañada por los esfuerzos que aparecen en el eje. La consecuencia inmediata es un descenso evidente de la producción eléctrica, a pesar de haber viento en abundancia, y otro factor más de incertidumbre a la hora de contar con esta energía en la red eléctrica de consumo.
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15- Bibliografía:
http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de-electricidad/xiii.-las-centrales-eolicas http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica_en_Espa%C3%B1a http://es.wikipedia.org/wiki/Parque_e%C3%B3lico http://www.slideshare.net/search/slideshow?searchfrom=header&q=energia+eolica https://www.google.es/search?q=energia+eolica&espv=210&es_sm=122&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=-eGlUtqAF4qy7AbP5oGoCg&ved=0CAkQ_AUoAQ&biw=1366&bih=599 http://www.lavanguardia.com/natural/20131203/54395124253/energia-eolica-bate-nuevo-record-produccion-electrica.html
FIN