Energía Eólica

Energía EólicaEnergía EólicaEnergía EólicaGabriel Ocaña Rebollo

Profesor E. S. de Tecnología Ingeniero Superior de Telecomunicaciones

CEP AlmeríaEnero 2006

� El viento.

� Conceptos básicos de aerogeneradores.

� Parques eólicos.

� Ventajas e inconvenientes.

� Tendencias y perspectivas.

ÍndiceÍndice

El VientoEl Viento

El origen del viento está en el calentamiento desigual de la Tierra:

� Vientos Geostróficos: Diferencias de latitud en Ecuador, Trópicos y Polos.

� Vientos Superficiales: Brisas costeras por diferente calentamiento de tierra y mar.

� Vientos Locales: provocado por la orografía, obstáculos, …

Una de las características del viento es su variabilidad espacial y temporal.

Brisa costera

Brisa montaña-valle

Vientos geostróficos

El VientoEl Viento

Aplicaciones tradicionales

La humanidad lleva utilizando la energía del viento desde la antigüedad, aunque su desarrollo a gran escala comenzó en la Edad Media.

El VientoEl Viento

Caracterización del viento

¿Cuánta Potencia tiene el viento que incide en una superficie? Para calcularla hay que tener en cuenta la energía cinética de la masa de aire en movimiento que llega a dicha superficie. Resulta:

Teniendo en cuenta la conservación de la cantidad de movimiento (Teorema de Euler) y conservación de la energía (Teorema de Bernoulli), se deduce la llamada Ley de Betz :

“La máxima potencia que se puede obtener, en teoría, de una corriente de aire con un aerogenerador ideal nunca puede superar el 59,26% del la potencia del viento incidente”.

2

2

1VmEc ⋅=

t

EP c

viento =

dA

m

Vol

m

⋅==ρ 3

2

1VAPviento ⋅⋅= ρ⇒

El VientoEl Viento


Otra característica del viento es la dirección e intensidad desde la que viene. La representación gráfica de la frecuencia y velocidad para cada ángulo de dirección se denomina Rosa de los Vientos .

Para realizar una valoración energética del viento en un emplazamiento dado, se debe conocer la distribución estadística de la velocidad del viento.

Suele seguir una distribución de Weibull .

El VientoEl Viento


Además, el viento al acercarse a la superficie y dependiendo de la Rugosidad del terreno, va frenándose y aumentando su turbulencia.

Sobre superficies lisas (hielo, agua, terrenos sin vegetación, …) la velocidad del viento será mayor que sobre superficies más rugosas (campos, bosques, edificios, …).

� El viento.





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Conceptos Básicos de AerogeneradoresConceptos Básicos de Aerogeneradores

Partes de un aerogenerador

Su misión es transformar la energía eólica en energía eléctrica.


RotorLa fuerza sobre la pala de una aeroturbina es la acción de la velocidad relativa del aire sobre ella. Se basa en el mismo principio aerodinámico que hace volar a un avión.

Esta velocidad es la composición de la velocidad de viento y de la velocidad de giro de la propia pala. Los diseños modernos tienen las palas torsionadas para absorber el máximo de energía a lo largo de toda su longitud.

El 90% de los grandes aerogeneradores son tripala a barlovento , ya que presentan la mejor relación coste-rendimiento.

Los materiales de fabricación más usuales son los plásticos compuestos: fibra de vidrio, fibra de carbono, epoxy, kevlar, …

Diferentes ángulos de viento relativo


Rotor


Sistema de Transmisión y ParadaEl rotor gira a velocidades bajas (10-20 rpm) por varios motivos:

� Para evitar sobreesfuerzos en la torre y cimentaciones.

� Para minimizar el ruido de las palas.

� Para evitar velocidades en punta de pala muy elevadas.

Sin embargo, los generadores eléctricos más usuales necesitan girar a miles de rpm, dependiendo del nº de polos.

Esto obliga a la interconexión de los ejes del rotor y el generador mediante una caja multiplicadora .

Además, hay situaciones en los que es necesario bloquear el aerogenerador:

� Operaciones de reparación y mantenimiento.

� Vientos muy fuertes

Para ello se utilizan dos mecanismos:

� Frenos de disco en el eje del generador

� Aerofrenos en la punta de las pala.

Caja Multiplicadora

Freno de disco


Sistema EléctricoExiste una clara tendencia a la utilización de generadores de inducción de jaula de ardilla , por su sencillez, bajo mantenimiento, robustez y menor coste.

Sin embargo, para mejorar el control de la corriente eléctrica vertida a la red de distribución se están empezando a utilizar cada vez más motores asíncronos con rotor bobinado.

� Mejor control de la potencia reactiva.

� Mejor calidad de enganche.

� Mejor adaptación a las condiciones de la red eléctrica.

Algunos hacen uso de generadores síncronos multipolo, de manera que al disminuir la velocidad de giro del generador se puedan acoplar directamente el rotor y el generador eléctrico sin necesidad de caja de multiplicadora.

Generadores síncronos


Sistema de Regulación de PotenciaLa velocidad de giro del rotor debe ser prácticamente constante para no producir distorsiones en la frecuencia de salida de la corriente eléctrica.

Para evitar que el rotor varíe su velocidad de giro al variar la velocidad del viento, existen dos soluciones:

� Control por pérdida aerodinámica , el diseño de las palas aprovecha los distintos ángulos de ataque para producir pérdidas aerodinámicas.

� Control por cambio de paso , las palas giran sobre sí mismas para controlar el ángulo de ataque y la velocidad de giro.

Pérdida aerodinámica

Mecanismo de cambio de paso


Sistema de OrientaciónTodos los grandes aerogeneradores llevan incorporado un sistema de orientación que permita aprovechar el máximo la energía incidente del viento.

Está gobernado por un sistema de control y se acciona mediante un servomotor en la base de la góndola.

Los pequeños aerogeneradores utilizan sistemas de orientación pasivos, más simples y económicos pero con menor rendimiento.


Torre

La altura a la que se encuentra el rotor condiciona la cantidad de energía capturada. Pero por otro lado, una torre excesivamente alta elevaría el coste de la estructura.

Existen tres tipos de torres, en función de la altura y peso a soportar:

� Mástil con tensores : para pequeños aerogeneradores, normalmente aislados.

� Celosía : torres de tamaño medio, es muy económica y resistente aunque parece ser la que ocasiona un mayor impacto visual.

� Tubular troncocónica : la más utilizada en los grandes aerogeneradores de los parqueseólicos. Se suele fabricar de acero.


Generador Eólico “Tipo”

Los grandes aerogeneradores eólicos actuales suelen reunir las siguientes características:

� Rotor tripala a barlovento.

� Caja multiplicadora de 2 ó 3 etapas, con freno de disco en eje secundario.

� Generador eléctrico de inducción.

� Sistema de regulación de potencia:� Control por pérdida aerodinámica � Control por cambio de paso.

� Sistema de orientación electromecánico.

� Torre tubular troncocónica.

� El viento.





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Parques EólicosParques Eólicos

Aplicaciones de los generadores eólicos

Los generadores eólicos se utilizan básicamente para dos cosas:

� Generación de electricidad:� Instalaciones autónomas� Instalaciones con conexión a red.

� Bombeo de agua.


Tamaño

La tendencia actual esa hacer aerogeneradores cada vez más grandes:

� Aumentar el área de barrido.

� Aumentar la altura del generador.

� Disminuir el impacto visual.

Actualmente los generadores de mayor potencia son del orden:

� Potencia nominal > 1 MW

� Altura de la torre > 100 metros

� Rotor con diámetro > 90 metros

Fotomontaje:Pala del mayor prototipo del mundo (de 5 MW)


InstalacionesHoy en día es práctica habitual agrupar varios aerogeneradores en parques eólicos para poder producir energía de forma significativa.


Parques Eólicos MarinosLos parques eólicos “offshore” presentan características muy interesantes:

� Régimen de vientos superior al terrestre.

� Vientos más constantes.

� La baja rugosidad de la superficie del mar hace que los vientos sean menos turbulentos.

Sin embargo, actualmente tienen los siguientes inconvenientes:

� El coste de las cimentaciones es mayor.

� Utiliza cableado de alta tensión submarino.

� Operaciones de mantenimiento y reparación más dificultosas.


Fabricación


Construcción y Montaje


Mantenimiento y Reparación

� El viento.





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Ventajas e InconvenientesVentajas e Inconvenientes

Ventajas� Es inagotable.

� No contamina la atmósfera, evitando la lluvia ácida, el efecto invernadero, el agujero en la capa de Ozono, …

� Contribuye a la independencia energética, en un país deficitario como España. Reduciría las importaciones energéticas (balanza comercial) y se conseguirían precios estables en la generación de energía (estabilidad económica).

� Es una inversión para generar puestos de trabajo, además de fomentar economías locales (empleo, impuestos municipales, alquiler terrenos, …).

� El terreno ocupado puede usarse para otras actividades: agricultura, ganadería, …

� Es una fuente de energía modular y escalable, permitiendo instalaciones de muchos tamaños adaptados a las diferentes necesidades.

� No necesita suministros de agua en las instalaciones.

� Su recuperación energética es la más alta: 23 veces (recupera toda la energía invertida en solo unos meses).


Inconvenientes

La energía Eólica también presenta una serie de inconvenientes que es necesario conocer para minimizar sus posibles consecuencias:

� Inadecuación del suministro y la demanda: para evitarlo se están desarrollando sistemas de predicción eólica de 24 h. de mayor exactitud, de modo que se pueda reorganizar el resto del sistema de generación eléctrica.

� Carácter distribuido: con el sistema de generación y distribución actual, una generación eólica superior al 30% obligaría a adaptar las redes de distribución actuales.


InconvenientesComo cualquier gran infraestructura humana, la instalación y operación de un campo de generadores eólicos tiene repercusión en el entorno que lo rodea. A continuación se describen los distintos factores medioambientales que pueden resultar afectados.

Impacto Visual:Los aerogeneradores son siempre elementos altamente visibles en el paisaje. De lo contrario, no están situados adecuadamente desde un punto de vista meteorológico y empeoran su rendimiento eléctrico. Las solución que se adoptan son:

� Seguir distribuciones geométricas o contornos del paisaje.

� Al utilizar de grandes generadores, se tienen menos rotores girando más despacio.

� Utilización de torres troncocónicas, y con colores “camuflados”.

Gran impacto visualImpacto visual suavizado


Impacto Visual:

A continuación se muestran comparaciones de impacto visual:

� Con central de gas natural

� Con central térmica

� Parque eólico off-shore desde la costa


Mortandad de aves:

Dada la envergadura y altura que tiene un generador eólico, existe la posibilidad de que las aves y otros animales como los murciélagos puedan sufrir daños por la instalación de un parque eólico.

Aunque sea de manera infrecuente existen colisiones de aves con generadores eólicos, resultando especialmente nocivo en el caso de especies protegidas o determinadas rutas migratorias.

En la práctica rara vez se ven molestadas las aves por los aerogeneradores. Hay multitud de estudios que muestran que las aves (bien sea de día o de noche) tienden a cambiar su ruta de vuelo antes de llegar a la turbina.

Estos estudios indican que las líneas alta tensión, ventanas de edificios, vehículos e incluso gatos, representan para las aves un peligro mucho mayor que los aerogeneradores.


RuidoLas emisiones sonoras en aerogeneradores pueden tener dos orígenes diferentes:

� Ruido mecánico: provocado por componentes metálicos moviéndose o chocando unos contra otros, puede originarse en el multiplicador, en la transmisión (los ejes) y en el generador de una turbina eólica.

En la actualidad, con la utilización de componentes específicos de la industria eólica, este tipo de niveles sonoros se ha reducido en más de la mitad.

� Ruido aerodinámico: las palas del rotor producen un sonido silbante que puede oírse si se está cerca de un aerogenerador a velocidades de viento relativamente bajas.

El diseño de palas cada vez más eficientes desde el punto de vista aerodinámico conlleva una reducción global de pérdidas, incluidas las acústicas.

Aún así, la reglamentación existente obliga a la construcción de parques eólicos a una distancia mínima de las viviendas más cercanas.

La energía de las ondas sonoras disminuye con el cuadrado de la distancia a la fuente sonora.

Así, para un rotor que emitiese 100 dB se tendría:

� A 1 diámetro de rotor del aerogenerador, un nivel de sonido de 55-60 dB (como el de una lavadora).

� A 4 diámetros de rotor del aerogenerador, un nivel de sonido de 40 dB(como el de una sala de estar).


Erosión del SueloLa construcción de un parque eólico supone realizar movimiento de tierras y desbrozamiento de vegetación para la realización de carreteras de acceso, cimentaciones de las torres, canalizaciones de conexiones eléctricas y comunicaciones, subestaciones, etc.

Con las medidas que se adoptan normalmente, el impacto de la erosión del suelo no suele resultar un problema grave.

� El viento.





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Tendencias y PerspectivasTendencias y Perspectivas

Situación actualCon la disminución de los costes en los últimos años, el coste de la producción eléctrica eólica es solo algo mayor que con combustibles tradicionales.

El 90% de la potencia eólica total europea está en Alemania, España y Dinamarca.

España es una potencia mundial a todos los niveles:

� Fabricación de componentes

� Capacidad de instalación

� Potencia eólica instalada.

En el año 2004, España fue por primera vez el país que más potencia eólica instaló en un solo año.

De hecho, es la única energía renovable que tiene posibilidades de alcanzar los niveles establecidos para el año 2010.


Situación actualSin embargo, las instalaciones eólicas en España están muy concentradas en unas pocas Comunidades Autónomas:


Futuras líneas de actuación

El futuro de la Energía Eólica es bastante prometedor, y es la energía renovable por la que más se ha apostado a nivel europeo.

Los asuntos en los que más se está trabajando para aumentar su desarrollo e implantación son las siguientes:

� Desarrollo estandarizado de turbinas multi-megavatios.

� Disminución de los costes de fabricación y construcción, especialmente en el caso de parque eólicos marinos.

� Desarrollo de sistemas de predicción eólica horaria de mayor exactitud.

� Crecimiento de las líneas de distribución eléctrica actuales teniendo en cuenta la generación distribuida de electricidad.

� Regulación de los mercados eléctricos para que las energías renovables no se vean perjudicadas.

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Charles Darwin

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