ENERGÍA EÓLICA

ENERGÍA EÓLICA – Dr. Ricardo Guerrero Lemus
ENERGÍA EÓLICA
Dr. Ricardo Guerrero Lemus
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LAS ENERGÍAS RENOVABLES: UNA APUESTA DE FUTURO EN LAS ISLAS
Universidad Ambiental de La Palma: Cursos de Verano. Los Llanos de Aridane, 17 – 21 de septiembre de 2007
ENERGÍA EÓLICA – Dr. Ricardo Guerrero Lemus
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.
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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.
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CLASES DE VIENTO:
Escala de velocidades de viento
Velocidades de viento a 10 m de
altura
m/s
nudos
Escala
Beaufort
(anticuada)
0,0-0,4
0,0-0,9
0
0,4-1,8
0,9-3,5
1
1,8-3,6
3,5-7,0
2
3,6-5,8
7-11
3
5,8-8,5
11-17
4
Moderado
8,5-11
17-22
5
Fresco
11-14
22-28
6
14-17
28-34
7
17-21
34-41
8
21-25
41-48
9
25-29
48-56
10
29-34
56-65
11
Fuerte
temporal
>34
>65
12
Hurracán
Viento
Calma
Ligero
Fuerte
Temporal
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Densidad del aire a presión atmosférica estándar
DENSIDAD DEL AIRE:
La energía del viento
es proporcional a su
masa.
Temperatura
° Celsius
Temperatura
° Farenheit
Densidad,
es decir,
masa de
aire seco
kg/m 3
-25
-13
1,423
-20
-4
1,395
-15
5
1,368
-10
14
1,342
-5
23
1,317
0
32
1,292
0,005
5
41
1,269
0,007
10
50
1,247
0,009
15
59
1,225 *)
0,013
20
68
1,204
0,017
25
77
1,184
0,023
30
86
1,165
0,030
35
95
1,146
0,039
40
104
1,127
0,051
Contenido de
agua máx.
kg/m 3
*) 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.
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AREA DE BARRIDO DEL ROTOR:
- El aerogenerador frena el viento y se desvía ⇒ no podremos extraer toda su
energía.
Distribución de presiones
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POTENCIA DEL VIENTO:
Es proporcional a cubo de la velocidad.
1
1
1
1
2
2
3
potencia = (m / t ) ⋅ V = (ρ · A·V )·V = ρ · A·V = π ·ρ ·r 2 ·V 3
2
2
2
2
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Densidad superficial de potencia del viento **)
m/s
W/m 2
m/s
W/m 2
m/s
W/m 2
0
0
8
313,6
16
2508,8
1
0,6
9
446,5
17
3009,2
2
4,9
10
612,5
18
3572,1
3
16,5
11
815,2
19
4201,1
4
39,2
12
1058,4
20
4900,0
5
76,5
13
1345,7
21
5672,4
6
132,3
14
1680,7
22
6521,9
7
210,1
15
2067,2
23
7452,3
**) 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.
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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.
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CIZALLAMIENTO DEL VIENTO:
si (longitud <= 0.03)
clase = 1.699823015 + ln(longitud)/ln(150)
Clase
de
rugosid
ad
Longitu
d de
rugosid
ad m
Índice
de
energía
(%)
0
0,0002
100
Superficie del agua
0,5
0,0024
73
Terreno completamente abierto con
una superficie lisa, p.ej., pistas de
hormigón en los aeropuertos,
césped cortado, etc.
52
Área agrícola abierta sin cercados
ni setos y con edificios muy
dispersos. Sólo colinas
suavemente redondeadas
si(longitud > 0.03)
1
0,03
clase = 3.912489289 + ln(longitud)/ln(3.3333333)
Tipo de paisaje
1,5
0,055
45
Terreno agrícola con algunas casas
y setos resguardantes de 8 metros
de altura con una distancia
aproximada de 1250 m.
2
0,1
39
Terreno agrícola con algunas casas
y setos resguardantes de 8 metros
de altura con una distancia
aproximada de 500 m.
31
Terreno agrícola con muchas
casas, arbustos y plantas, o setos
resguardantes de 8 metros de
altura con una distancia
aproximada de 250 m.
2,5
0,2
3
0,4
24
Pueblos, ciudades pequeñas,
terreno agrícola, con muchos o
altos setos resguardantes, bosques
y terreno accidentado y muy
desigual
3,5
0,8
18
Ciudades más grandes con
edificios altos
4
1,6
13
Ciudades muy grandes con
edificios altos y rascacielos
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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.
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OBSTÁCULOS:
-Dejan estela.
-Fijan la altura de la turbina.
-Depende del nivel de porosidad.
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TURBULENCIA DEL AEROGENERADOR:
-Efecto en el parque.
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EFECTOS ACELERADORES:
-Efecto túnel.
-Efecto colina.
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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.
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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
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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.
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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.
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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).
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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.
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AERODINÁMICA DE UN AEROGENERADOR:
-Sustentación.
-Turbulencias.
-Resistencia aerodinámica.
PALAS TORSIONADAS:
-Ángulo de ataque.
-Pérdida de sustentación.
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CONTROL DE POTENCIA:
-Aerogeneradores de regulación por cambio de ángulo de paso.
-Aerogeneradores de regulación por pérdida aerodinámica.
-Flaps.
-Desalineación del rotor (aerogeneradores pequeños).
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TIPOS DE TORRE:
-Acero.
-Celosía.
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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).
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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.
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SEGURIDAD:
-Sensor de vibraciones.
--Sensor de tensión de cables.
-Ensayos de carga y fatiga.
-Protección contra embalamiento.
-…
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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).
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CONEXIÓN INDIRECTA A RED:
Corriente alterna de
frecuencia variable
Corriente contínua
Corriente alterna
conmutada (irregular)
Corriente alterna a la
frecuencia de red
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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 máquina
con ciertas averías.
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NÚMERO DE PALAS:
-Una.
-Dos.
-Tres.
-Número par.
-Múltiples palas.
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VARIACIONES DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO:
-Diarias.
-Anuales.
-Interanuales.
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PRECIO DE UN AEROGENERADOR:
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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.
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POTENCIA EÓLICA INSTALADA Y A INSTALAR EN CANARIAS:
(PECAN)
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COMPORTAMIENTO DE LA CURVA DE DEMANDA:
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GENERACIÓN INSTALADA:
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MONÓTONAS DE PRODUCCIÓN EÓLICA:
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FIN
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