Energia Eolica I

ENERGÍAS ALTERNATIVASEnergía eólica I, por Fco Villafranca Gracia

Energía eólica Parte I

Recursos eólicos Emplazamiento Energía producida

Parte II ¿Cómo funciona? Generadores

SUMARIO2

IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009

Energía eólica

Parte I Recursos eólicos Emplazamiento Energía producida

SUMARIO3


Energía eólica

Recursos eólicos

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Energía eólica ¿De dónde viene la energía eólica?. 1

El 2% de la energía solar se convierte en energía eólica. El sol irradia 174.423.000.000.000 kWh de energía por hora hacia la

Tierra.

La Tierra recibe 1,74 x 10 17 W de potencia en un seg.

Esto supone una energía alrededor de 50 a 100 veces superior a la convertida en biomasa por todas las plantas de la tierra

Las diferencias de temperatura debido a los gradientes de presión con llevan a la circulación del aire.

Fuerza de Coriolis, debida al movimiento de rotación de la tierra. Sólo actúa sobre los cuerpos no fijos. Siempre deflecta el

movimiento hacia la izquierda (derecha) en el hemisferio sur (norte).

Recursos eólicos. 15


Energía eólica ¿De donde viene la energía eólica?. 2

Fuerza de Coriolis, debida al movimiento de rotación de la tierra. Sólo actúa sobre los cuerpos no fijos. Siempre

deflecta el movimiento hacia la izquierda (derecha) en el hemisferio sur (norte).

La fuerza de Coriolis afecta a las direcciones del viento en el globo.



Energía eólica La energía en el viento. 1

Densidad del aire y área de barrido del rotor Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada

convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área de barrido del rotor y de la velocidad del viento.

Se aprovecha la energía o fuerza de frenado. La animación muestra cómo una porción cilíndrica de aire de 1metro

de espesor pasa a través del rotor de un aerogenerador típico de

1.000 kW. Con un rotor de 54 metros de diámetro cada cilindro pesa

realmente 2,8 toneladas, es decir, 2.300 veces 1,225 kg.




Densidad del aire La energía cinética del viento depende de la

densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen. En otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire más energía recibirá la turbina.

A presión atmosférica normal y a 15° C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro cúbico, aunque la densidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad.

Además, el aire es más denso cuando hace frío que cuando hace calor. A grandes altitudes (en las montañas) la presión del aire es más baja y el aire es menos denso.




Área de barrido El área del rotor determina cuanta energía del

viento es capaz de capturar una turbina eólica. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor.

Una turbina que sea dos veces más grande recibirá = 2 x 2 = cuatro veces más energía.



Energía eólica La desviación del viento. 1

El tubo de corriente El rotor de la turbina eólica debe obviamente

frenar el viento cuando captura su energía cinética y la convierte en energía rotacional. Esto implica que el viento se moverá más lentamente en la parte izquierda del rotor que en la parte derecha y tendrá forma de botella.



Energía eólica La velocidad y la potencia.1

La cantidad de energía que posee el viento varía con el cubo (la tercera potencia) de la velocidad media del viento; p.ej., si la velocidad del viento se duplica la cantidad de energía que contenga será 2 = 2 x 2 x 2 = ocho veces mayor.


3

11


Energía eólica La velocidad y la potencia. 2

La energía eólica se produce en forma de energía cinética, por lo cual depende de su masa y de la velocidad. Ec= ½ m v .

El caudal producido por una masa de aire será m/t = V p/t= S p v ; S(superficie), p(densidad del aire= 1,255kg/m3), v(velocidad del viento), m=masa, t=tiempo

P=E/t; ½ m v /t= ½ pSv = 0,627 S v , Potencia teórica Según el teorema de Betz se puede aprovechar el 16/27, (60%); P=0,37 S v ,

P(w), v (m/s)

Potencia de la fórmula del viento P = 1/2 p v π r

P= potencia en W (watios)

P= densidad del aire 1,225Kg/m3, a nivel del mar y a 15ºC

v= velocidad del viento en m/s

r= radio del rotor.

Se capta aproximadamente el 60% de P, P= 0,29 D v , D =diámetro

Después el µ:

Rotor, multiplicador, generador, circuieteria eléctrica y electrónica.


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Energía eólica La velocidad y la potencia. 3

Potencia de la fórmula del viento P = 1/2 p v π ren función del diámetro de las palas

P= potencia en W (watios)

P= densidad del aire 1,225Kg/m3, a nivel del mar y a 15ºC

v= velocidad del viento en m/s

r= radio del rotor.

Se capta aproximadamente el 60% de P, P= 0,29 D v , D =diámetro

Después el µ:

Rotor, multiplicador, generador, circuieteria eléctrica y electrónica.


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Energía eólica Los anemómetros

Medición de la velocidad del viento Anemómetro de cazoletas Se registra la velocidad angular Normalmente vienen previstos de veleta Hay otros: no mecánicos. El anemómetro de un aerogenerador realmente sólo se

utiliza para determinar si sopla viento suficiente como para que valga la pena orientar el rotor del aerogenerador en contra del viento y ponerlo en marcha.

Mediciones en la práctica: p.e: en un mástil a la misma altura



Energía eólica

Emplazamiento

15


Energía eólica Ubicación de las centrales eólicas. 1

Condiciones eólicas Dirección de los vientos Recogidas de datos

Buscar una perspectiva Rugosidad (paisajes llanos 0.5) Mínimos obstáculos Buena orografía del terreno Colinas redondeadas (efecto colina)

Conexión a la red Refuerzo de red Condiciones de suelo, cimentación Riesgos en el uso de los datos meteorológicos

Emplazamiento. 116


Energía eólica

Ubicación de las centrales eólicas. 2

Efecto colinaDónde es más fuerte el viento,¿en la cima de la colina o al lado de ella?

Emplazamiento. 217


Energía eólica

Ubicación de las centrales eólicas. 2 Efecto colina

Sí, el viento es más fuerte en la parte superior de la colina.Cuando el viento alcanza la colina es empujado hacia arriba y al comprimirse gana velocidad.Esta es la razón por la que el sitio ideal para un aerogenerador es en la cima de una colina.

Emplazamiento. 318


Energía eólica Ubicación de las centrales eólicas. 4 Condiciones eólicas en el mar

Rugosidad es muy baja por lo cual la velocidad del viento es cte. Si el viento crece se crea oleaje y aumenta la rugosidad. Cuando se forman las olas la rugosidad decrece.

Es decir la RUGOSIDAD es VARIABLE, al igual que los sitios que tienen nieve.

Generalizando: Si la rugosidad es baja a la hora de hacer los cálculos habrá que tener en cuenta, las islas, faros etc. (obstaculos).

Bajo cizallamiento del viento (pocos cortes de viento) Resulta económico poner torres bajas 0,75 veces el diámetro

del motor. Baja intensidad de turbulencias

Mayor vida para los aerogeneradores (las diferencias de temperatura entre la superficie del mar y del aire son menores que en la tierra).

Emplazamiento. 419


Energía eólica Mapa eólico de Europa

Emplazamiento. 520


Terreno accident

ado

Plano abiert

o

En la costa

Mar abiert

o

Colinas y

crestas

Energía eólica Mapa eólico de España. 1

Emplazamiento. 621


Distribución•Depende de la disponibilidad del combustible•Vientos intensos constantes y regulares a lo largo del año.ZonasCosta gallega del N y TarifaSistema IbéricoOtrasIslas canarias..

El mapa indica los parques eólicos de potencia superior a 1 MW. Los círculos grandes muestran los parques con potencia superior a los 10 MW.

Energía eólica Mapa eólico de España. 2

Emplazamiento. 722


Distribución•Depende de la disponibilidad del combustible•Vientos intensos constantes y regulares a lo largo del año.ZonasCosta gallega del N y TarifaSistema IbéricoOtrasIslas canarias..

Potencia eólica instalada por Comunidades Autónomas en 2000

Energía eólica Potencia instalada en Europa, 2006

Emplazamiento. 823


PAIS MW PAIS MW

1ALEMANIA 17.743 14CANADA 590

2ESPAÑA 9.653 15AUSTRALIA 572

3ESTADOS UNIDOS 8.500 16SUECIA 492

4 INDIA 4.300 17GRECIA 466

5DINAMARCA 3.129 18 IRLANDA 441

6 ITALIA 1.570 19NORUEGA 270

7REINO UNIDO 1.337 20NUEVA ZELANDA 260

8HOLANDA 1.219 21EGIPTO 145

9PORTUGAL 944 22BÉLGICA 120

10 JAPON 942 23FINLANDIA 100

11AUSTRIA 799 24MARRUECOS 64

12CHINA 765 25POLONIA 58

13FRANCIA 632 26

Energía eólica Potencia instalada en España, 2006

Emplazamiento. 924


kW INSTALADOS1GALICIA 2.452.4802CASTILLA LA MANCHA 2.008.8803CASTILLA LEÓN 1.690.3104C. ARAGÓN 1.346.4605NAVARRA 966.5306ANDALUCÍA 545.0007 LA RIOJA 408.6208ASTURIAS 162.3509CANARIAS 146.620

10PAÍS VASCO 144.87011CATALUÑA 144.14012MURCIA 54.97013C. VALENCIANA 20.49014BALEARES 3.20015CANTABRIA 016EXTREMADURA 017MADRID 0

SUMA TOTAL 10.094.920

Energía eólica

Energía producida

25


Energía eólica Información para la industria eólica

Describir y conocer la variación de las velocidades del viento Información para el diseño de los aerogeneradores Información para los inversores financieros

Energía producida. 126


Gráfico de probabilidad. Distribución de Weibull

La mediana de la distribución (6,6 m/s): la mitad del tiempo el viento soplará a más de 6,6 m/s y la otra mitad a menos de 6,6.

Este emplazamiento particular tiene una velocidad media de 7 m/s, promedio de la observaciones de la velocidad del viento.

El valor modal 5,5 m/s, el valor más común.A veces tendremos velocidades muy altas pero, son muy raras.

Energía eólica Potencia de entrada al aerogenerador.1 Requisitos para el cálculo

Conocer la distribución Weibull, p.e velocidad media 7,7 m/s Se podría calcular la Potencia utilizando la fórmula y conociendo la

velocidad media, pero no sería suficiente. Si lo hiciésemos así obtendríamos 210 W/m2. Es requisito indispensable conocer el volumen del viento.

Conocer el volumen del viento para cada velocidad La botella grande mide 0,76 m de altura y la pequeña 0,24 m, ¿cuánto

mide la botella promedio? La respuesta más común sería 0,5 m, pero no sería correcta. Veamos

Nos interesa el volumen de la botella, y este varía con el cubo de su tamaño.

La Relación entre las botellas 0.76/0,24= 3,17; su volumen 3,17 al cubo más que la pequeña, por lo cual el volumen promedio será 16,5 y de altura será 2,55 veces más que la pequeña, es decir 2,55x0,24= 0,61 m apreciable diferencia respecto a la respuesta inicial.



Energía eólica Potencia de entrada al aerogenerador.2

Por tanto, con una velocidad media del viento de 7 m/s en este caso, la potencia media ponderada de las velocidades del viento es de 8,7 m/s. A esa velocidad la potencia del viento es de 402 W/m 2 , que es casi el doble de la que obteníamos de nuestro ingenuo cálculo al principio de la página anterior.

Se hace con cálculos estadísticos y existe software para su realización.



Energía eólica Ley de Betz. El frenado ideal del viento. Cuanto mayor sea la energía cinética que un aerogenerador

extraiga del viento, mayor será la ralentización que sufrirá el viento que deja el aerogenerador por su parte izquierda en el dibujo .

Un aerogenerador ideal ralentizaría el viento hasta 2/3 de su velocidad inicial

La ley de Betz dice que sólo puede convertirse menos de 16/27 (el 59 %) de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador.



1. Si extraigo toda energía cinética la velocidad será nula, ya que no saldría el aire, el rotor no recibiría aire y la potencia sería cero.

2. En el caso extremo V1=V2, no extraigo nada por lo cual la potencia tambíen sería cero.

3. Debe haber alguna forma de frenar el viento (extraer cierta energía cinética) y convertirla energía mecánica útil.

Energía eólica

Función de la densidad del viento. 1 Potencia del viento



El potencial de energía por segundo (la potencia ) varía proporcionalmente al cubo de la velocidad del viento (la tercera potencia), y proporcionalmente a la densidad del aire (su peso por unidad de volumen).

Si multiplicamos la potencia de cada velocidad del viento por su probabilidad de cada velocidad de la gráfica de Weibull , habremos calculado la distribución de energía eólica a diferentes velocidades del viento = la densidad de potencia

Energía eólica

Función de la densidad del viento. 2 Potencia disponible

La mayor parte de la energía eólica se encontrará a velocidades por encima de la velocidad media del viento (promedio) en el emplazamiento.

La potencia disponible será 16/27 de la potencia de entrada.



Energía eólica

Función de la densidad del viento.3 Velocidad de conexión: Normalmente, los

aerogeneradores están diseñados para empezar a girar a velocidades alrededor de 3-5 m/s. Es la llamada velocidad de conexión. El área azul de la izquierda muestra la pequeña cantidad de potencia perdida debido al hecho de que la turbina sólo empieza a funcionar a partir de, digamos, 5 m/s.

Velocidad de corte: El aerogenerador se programará para pararse a altas velocidades del viento, de unos 25 m/s, para evitar posibles daños el la turbina o en sus alrededores. La velocidad del viento de parada se denomina velocidad de corte. La minúscula área azul de la derecha representa la pérdida de potencia.



Energía eólica

Función de la densidad del viento. 4 Curva de potencia de un aerogenerador

Indica cuál será la potencia eléctrica disponible en el aerogenerador a diferentes velocidades del viento.



Energía eólica

Función de la densidad del viento. 5 Coeficiente de potencia de un

aerogenerador Indica con qué eficiencia el aerogenerador

convierte la energía del viento en electricidad



Energía eólica

Función de la densidad del viento. 6 Energía anual disponible

Aerogenerador 600 KWparámetros de Weibull 1'5, 2'0 y 2'5

La salida varía casi con el cubo de la velocidad del viento

El factor de carga Con factor de carga queremos decir la producción anual de energía dividida por la producción teórica máxima, si la máquina estuviera funcionando a su potencia nominal (máxima) durante las 8766 horas del año.



Energía eólica

FIN DE LA PARTE I



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