eólica 1

Energía eólicaProfesor: Jorge Montealegre García

INTRODUCCIÓN

Fuente: Turismocastillalamancha.es

Fuente: navegaciónavela.com

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

Charles F. Brush (1849-1929)

La turbina eólica gigante de Brush en Cleveland (Ohio)Fuente: F. Brush Special Collection, Case Western Reserve Univerity, Cleveland (Ohio)

In 1888 Brush construye la que se cree es la primera turbina eólica para generación eléctrica, mejorada en los años siguientes por Poul La Cour.

INTRODUCCIÓN

Poul la Cour (1846-1908) Aerogeneradores de prueba en 1897 en el instituto de Askov Folk, Askov (Dinamarca)Fuente: www.seagullholding.it

Fuente: Poul la Cour Museet

INTRODUCCIÓN

Máquina F.L. Smidth tripala de la isla de Bogø, fabricada en 1942

La máquina Bonus 30 kW,fabricada desde 1980, es un ejemplo de uno de los primeros modelos de los fabricantes actuales.

Foto © F.L.Smidth & Co. A/S Foto © Bonus Energy A/S

Durante la segunda guerra mundial, la compañía danesa de ingeniería F.L. Smidth construyó diversos aerogeneradores bi y tripala.

INTRODUCCIÓN

https://www.youtube.com/watch?v=7lx_gWU2SeY

NATURALEZA DEL VIENTO

El movimiento del aire se realiza fundamentalmente en la troposfera.

Sobre el viento influyen los siguientes factores:Sobre el viento influyen los siguientes factores:

La radiación solar, mayor en la zona ecuatorial que en los polos.

La radiación solar, mayor en la zona ecuatorial que en los polos.La rotación de la tierra.La rotación de la tierra. Las diferencias de presión atmosférica.Las diferencias de presión atmosférica.

Los distintos tipos de superficie y la orografía.Los distintos tipos de superficie y la orografía.

El viento es el aire en movimiento.

NATURALEZA DEL VIENTOLas diferencias de temperatura conllevan la circulación de aire

El aire caliente es más ligero que el aire frío, por loque subirá hasta alcanzar una altura aproximada de10 km y se extenderá hacia el norte y hacia el sur. Siel globo no rotase, el aire simplemente llegaría al PoloNorte y al Polo Sur, para posteriormente descender yvolver al ecuador.

NATURALEZA DEL VIENTOLas diferencias de temperatura conllevan la circulación de aire


TRp?

p = presión absoluta (Pa).ρ = densidad del aire seco = 1.225 medida en kg/m3 (kilogramos por metro cúbico, a la presión atmosférica promedio a nivel del mar y a 15° C).R´ = constante del gas. T = temperatura (K).

La densidad del aire se ve afectada por la presión y la temperatura Altas y bajas presiones:

NATURALEZA DEL VIENTOLa fuerza de Coriolis

Debido a la rotación del globo, cualquier movimiento en el hemisferio norte es desviado hacia laderecha, si se mira desde nuestra posición en el suelo (en el hemisferio sur es desviado hacia laizquierda). Esta aparente fuerza de curvatura es conocida como fuerza de Coriolis (debido almatemático francés Gustave Gaspard Coriolis 1792-1843).Puede no resultarle obvio que una partícula moviéndose en el hemisferio norte sea desviada hacia laderecha.

NATURALEZA DEL VIENTOLa fuerza de Coriolis


Fuente: http://www.artinaid.com/2013/04/el-viento/

En cada hemisferio se distinguen tres grandes núcleos: tropical, templado y polar.

TIPOS DE VIENTO

Vientos de superficieLos vientos están mucho más influenciados por la superficie terrestre a altitudes de hasta 100 metros. El viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos.Las direcciones del viento cerca de la superficie serán ligeramente diferentes de las de los vientos geostróficos debido a la rotación de la tierra.Tratándose de energía eólica interesará conocer los vientos de superficie y cómo calcular la energía aprovechable del viento.

El viento geostróficoLos vientos que han sido considerados en las páginas precedentes como vientos globales son en realidad los vientos geostróficos.Son generados, principalmente, por las diferencias de temperatura, así como por las de presión, y apenas soninfluenciados por la superficie de la tierra.Se encuentran a una altura de 1.000 metros a partir del nivel del suelo.

TIPOS DE VIENTO

De forma general, se puede considerar que los factores que influyen en el régimen de vientos en una zona determinada son:• Situación geográfica.• Características climáticas locales.• Topografía de la zona.• Irregularidades del terreno.

TIPOS DE VIENTO

Viento de MontañaLos vientos valle-montaña se producen por un procesoparecido. Unas laderas reciben más insolación que otras, en función de su pendiente y orientación. Estos vientos soplan durante toda la noche desde la montaña al valle y desde el valle a la montaña durante el día.

Brisas marinasDurante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar por efecto del sol, haciendo que el viento sople del mar a la tierra.Igualmente por la noche la tierra se enfría más rápidamente que el mar, soplando el viento de la tierra hacia el mar.

TIPOS DE VIENTO

AEROGENERADORES CLASIFICACIÓNPor el tipo de eje:Por el tipo de eje:

• Eje Vertical (VAWT) • Eje Horizontal (HAWT)

Por la orientación con respecto al viento Por la orientación con respecto al viento • A barlovento • A sotavento

Por el número de palas Por el número de palas • De una pala • De dos palas • De tres palas • Multipala

Por el control de potencia Por el control de potencia • Palas de paso fijo (stall control)• Sistemas de paso variable (pitch control)

Por emplazamiento:Por emplazamiento:•En tierra (onshore)•En el mar (offshore)

Por la interconexión con el sistema eléctricoPor la interconexión con el sistema eléctrico•Aislado de la red eléctrica•Interconectado con la red eléctrica.

Por el generadorPor el generador•Asíncrono con rotor de jaula de ardilla•Asíncrono con rotor bobinado•Síncrono

Por su potencia nominalPor su potencia nominal•Microturbinas (<5kW)•Miniturbinas (5-100kW)•Media y gran pot. (100 –1000kW)•Multimegavat (>1MW)

AEROGENERADORES CLASIFICACIÓNDe forma general pueden señalarse los siguientes subsistemas componentes:

• Subsistema de captación.• Subsistema de transmisión mecánica.• Subsistema de generación eléctrica.• Subsistema de orientación.• Subsistema de regulación.• Subsistema soporte.

SUBSISTEMA DE CAPTACIÓNAerogeneradores de eje vertical – VAWT (Vertical Axis Wind Turbine);

El uso de este tipo de aerogeneradores es minoritario en comparación con los de eje horizontal.Existen varios modelos siendo los más empleados los siguientes:

Aerogeneradores accionados por resistencia. El más conocido es el tipo Savonius. Aerogeneradores accionados por sustentación: Por ejemplo el Darrieus.

SUBSISTEMA DE CAPTACIÓNEje Horizontal vs eje vertical:

VENTAJASHorizontal Vertical

Mejor rendimiento en un intervalo más amplio de velocidades de viento. No necesitan orientación respecto al viento.Al estar la turbina en alto aprovechan el efecto del aumento de la velocidad de viento con la altura.

Generador y multiplicadora en el suelo, lo que conlleva una mayor sencillez y abaratamiento en el montaje.Barren mayor superficie con las palas permitiendo desarrollar mayor potencia.

Según el número de palas:

La mayoría de los aerogeneradores de hoy día son tripala, con el rotor a barlovento, usandomotores eléctricos para sus mecanismos de orientación.

El aerogenerador de eje horizontal de tres palas es el modelo más generalizado, aunque existen modelos de dos palas, de una sola pala dotada de contrapeso que ya no se usan en la actualidad y multipala, usado sobre todo en micro eólica para bombeo.

SUBSISTEMA DE CAPTACIÓNAerogeneradores de eje horizontal– HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine);

A barlovento:La mayoría de los aerogeneradores tienen este tipo de diseño. Consiste en colocar el rotor de cara alviento, siendo la principal ventaja el evitar el abrigo del viento tras la torre. Como desventaja diremosque necesita mecanismo de orientación del rotor, y que esté situado a cierta distancia de la torre.

Orientación según el viento:

SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN

AERODINÁMICALas turbinas de uso más extendido en la actualidad son las de “sustentación”.En ellas, el viento circula por ambas caras de la pala, las cuales tienen perfiles geométricos distintos, creando de esta forma un área de depresión en la cara superior respecto a la presión en la cara inferior.Esta diferencia de presiones produce una fuerza llamada sustentación aerodinámica sobre la superficie de la pala, de forma parecida a lo que sucede en las alas de los aviones.

AERODINÁMICA

EMPLAZAMIENTO

http://www.vestas.com/en/media/videos#!macarthur-wind-farm-development Vestas V164 80 MW a game changer in offshore

Planta eólica onshore Planta eólica offshore

COMPONENTES1. pala;2. soporte de la pala;3. actuador del ángulo de paso;4. buje;5. cubierta;6. soporte principal;7. eje principal (baja velocidad);8. luces de señalización aérea;9. Caja multiplicadora;10. dispositivos hidráulicos de refrigeración;11. frenos mecánicos (en eje de alta velocidad);12. generador;13. Dispositivos de control, protección y seccionamiento;14. transformador;15. anemómetros;16. estructura de la góndola;17. torre de soporte;18. mecanismo actuador de la orientación (corona de orientación).

COMPONENTES

COMPONENTESLa 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.

COMPONENTESLas palas del rotor capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador modernode 1000 kW cada pala mide alrededor de 27 metros de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un avión.

COMPONENTESLas palas pueden ser fijas o tener un ángulo de paso variable lo que determinará el tipo de regulación de potencia:• Si son fijas tendrá una regulación pasiva conocida como stall regulation, basada en el control por pérdidas aerodinámicas. Sistema robusto y sencillo pero poco versátil.• Si se pueden girar variando el ángulo de paso de las palas, se conoce como regulación activa de paso variable o pitch. Este sistema permite un mejor aprovechamiento del viento pero es más costoso.

En la última década se impuso el control de la regulación activa pitch a la pasiva stall

COMPONENTESEl buje es el componente que conecta las palas al eje principal, transmitiéndole la potencia extraída del viento, e incluye los mecanismos de regulación del ángulo de paso.El buje suele ser de acero o de fundición y se protege externamente con una funda ovalada denominada cubierta.

El buje rígido se diseña para mantener los principaleselementos que lo componen en una posición fija enrelación con el eje principal. En cualquier caso, el ángulo de paso de las palas puede variar, pero no admite ningún otro movimiento.

SUBSISTEMA DE TRANSMISIÓN MECÁNICAEl 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 rápidamente que el eje de baja velocidad.

El desarrollo en los últimos años de alternadores con convertidor incorporado ha hecho posible la construcción de algunos modelos de aerogeneradores sin el multiplicador. El multiplicador es una fuente de ruido y uno de los componentes que requiere mayor mantenimiento y puede causar pérdidas de eficiencia al aerogenerador. La ausencia del multiplicador conlleva una simplificación notable de la parte mecánica y permite una reducción del tamaño y peso de la góndola.

SUBSISTEMA ELÉCTRICOEl generador eléctrico suele llamarse generador asíncrono o de inducción. En un aerogenerador moderno la potencia máxima suele estar entre 500 y 3000 kilovatios (kW).La potencia eléctrica a la salida del generador generalmente es de baja tensión y debe convertirse a mediatensión a través de un transformador para reducir las pérdidas de transmisión mediante la conexión a la red de distribución de media tensión.El controlador electrónico tiene un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación. La unidad de refrigeración contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador eléctrico. Además contiene una unidad de refrigeración del aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador.

SUBSISTEMA DE ORIENTACIÓNEl anemómetro y la veleta se utilizan para medir la velocidad y la dirección del viento. Las señales electrónicas del anemómetro son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para conectar el aerogenerador 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.

EÓLICA EN LA ACTUALIDAD

Tipología de aerogenerador más utilizado en la actualidad:Ya en lo que se considera la etapa de inicio de desarrollo de la energía eólica en los años 70 y 80, se consolida el modelo de aerogenerador de eje horizontal, tripala con orientación a barlovento.No es hasta los años 90 cuando se empieza a introducir la regulación aerodinámica por paso variable (pitch), consolidándose su uso en los 2000. La tendencia actual es utilizar generadores síncronos sin caja multiplicadora y conectados a la red a través de convertidores de frecuencia.Gran impulso de parques offshore.

COMPONENTES Y OPERACIÓN

https://www.youtube.com/watch?v=UV3yLeu4OAY

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