ENERGÍA EÓLICA – Dr. Ricardo Guerrero Lemus ENERGÍA EÓLICA Dr. Ricardo Guerrero Lemus 1 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. 2 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 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. 3 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 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 4 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 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. 5 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 AREA DE BARRIDO DEL ROTOR: - El aerogenerador frena el viento y se desvía ⇒ no podremos extraer toda su energía. Distribución de presiones 6 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 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 7 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 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. 8 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 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. 9 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 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 10 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 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. 11 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 OBSTÁCULOS: -Dejan estela. -Fijan la altura de la turbina. -Depende del nivel de porosidad. 12 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 TURBULENCIA DEL AEROGENERADOR: -Efecto en el parque. 13 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 EFECTOS ACELERADORES: -Efecto túnel. -Efecto colina. 14 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 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. 15 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 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 16 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 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. 17 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 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. 18 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 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). 19 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 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. 20 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 AERODINÁMICA DE UN AEROGENERADOR: -Sustentación. -Turbulencias. -Resistencia aerodinámica. PALAS TORSIONADAS: -Ángulo de ataque. -Pérdida de sustentación. 21 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 CONTROL DE POTENCIA: -Aerogeneradores de regulación por cambio de ángulo de paso. -Aerogeneradores de regulación por pérdida aerodinámica. -Flaps. -Desalineación del rotor (aerogeneradores pequeños). 22 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 TIPOS DE TORRE: -Acero. -Celosía. 23 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 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). 24 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 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. 25 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 SEGURIDAD: -Sensor de vibraciones. --Sensor de tensión de cables. -Ensayos de carga y fatiga. -Protección contra embalamiento. -… 26 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 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). 27 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 CONEXIÓN INDIRECTA A RED: Corriente alterna de frecuencia variable Corriente contínua Corriente alterna conmutada (irregular) Corriente alterna a la frecuencia de red 28 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 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. 29 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 NÚMERO DE PALAS: -Una. -Dos. -Tres. -Número par. -Múltiples palas. 30 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 VARIACIONES DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO: -Diarias. -Anuales. -Interanuales. 31 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 PRECIO DE UN AEROGENERADOR: 32 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 33 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 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. 34 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 POTENCIA EÓLICA INSTALADA Y A INSTALAR EN CANARIAS: (PECAN) 35 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 COMPORTAMIENTO DE LA CURVA DE DEMANDA: 36 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 GENERACIÓN INSTALADA: 37 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 MONÓTONAS DE PRODUCCIÓN EÓLICA: 38 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 FIN 39 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 40 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