FAA0708 Tema09 Energia Eolica

8/6/2019 FAA0708 Tema09 Energia Eolica

1/76

Tema 9

Energa ElicaEnerga Elica

Curso de Fsica Ambiental (UCLM, Grupo G-9), 2007/2008


2/76


3/76

1. Introduccin1. Introduccin


4/76

Es energa renovable: habr viento hasta que el sol se extingaEs energa renovable: habr viento hasta que el sol se extingao la atmsfera desaparezca.o la atmsfera desaparezca.

Es energa limpia, sin emisin de gases de efecto invernadero.Es energa limpia, sin emisin de gases de efecto invernadero.

El impacto ambiental de las instalaciones elicas es muyEl impacto ambiental de las instalaciones elicas es muypequeo:pequeo:

- El ruido es pequeo: puede mantenerse una conversacin sin esfuerzo en la- El ruido es pequeo: puede mantenerse una conversacin sin esfuerzo en la

base de un aerogenerador. El ruido es mayor cuando el viento es fuerte, perobase de un aerogenerador. El ruido es mayor cuando el viento es fuerte, pero

entonces el ruido ambiente tambin es mayor. El nivel de ruido es como el deentonces el ruido ambiente tambin es mayor. El nivel de ruido es como el deun frigorfico a 50 metros.un frigorfico a 50 metros.

- Las granjas o parques elicos slo ocupan un 2% de la tierra. El 98% restante- Las granjas o parques elicos slo ocupan un 2% de la tierra. El 98% restantepuede utilizarse para pastos, carreteras, industria, puede utilizarse para pastos, carreteras, industria,

- La muerte de aves es menor que la producida por lneas de corriente, casas- La muerte de aves es menor que la producida por lneas de corriente, casaso coches. Los nuevos diseos tubulares de las torres minimizan el problema.o coches. Los nuevos diseos tubulares de las torres minimizan el problema.

El impacto en la fauna es positivo si uno tiene en cuenta la reduccin deEl impacto en la fauna es positivo si uno tiene en cuenta la reduccin deemisiones que involucra.emisiones que involucra.

Proporciona diversificacin rural y empleo local, es fcil deProporciona diversificacin rural y empleo local, es fcil deintegrar en redes de potencia elctrica ya existentes.integrar en redes de potencia elctrica ya existentes.

El diseo de aerogeneradores es flexible y con aplicacionesEl diseo de aerogeneradores es flexible y con aplicaciones

diversas.diversas. El coste de roduccin ha ba ado ms de un 80% en dosEl coste de roduccin ha ba ado ms de un 80% en dos

1.1. Ventajas de la energaelica

Industria energtica con mayor ritmo

de crecimiento en la ltima dcada.


5/76

1.2. Historia de la energaelica

El hombre usa por primeza vez la energa del viento en Egipto,El hombre usa por primeza vez la energa del viento en Egipto,

alrededor del ao 3000 AC, para propulsar barcos de vela.alrededor del ao 3000 AC, para propulsar barcos de vela.

Se dice que Hammurabi usaba molinos de viento para irrigacin en elSe dice que Hammurabi usaba molinos de viento para irrigacin en elao 2000 AC. Los primieros molinos conocidos son los de Seistan, delao 2000 AC. Los primieros molinos conocidos son los de Seistan, delsiglo VII.siglo VII.

En el ao 1400, el papa Celestino III reclama la propiedad del viento:En el ao 1400, el papa Celestino III reclama la propiedad del viento:

los molinos pueden usarlo pagando una cuota.los molinos pueden usarlo pagando una cuota.

En 1854 Halladay introduce un molino de viento ligero, barato, que seEn 1854 Halladay introduce un molino de viento ligero, barato, que seerige como uno de los smbolos de las granjas americanas.erige como uno de los smbolos de las granjas americanas.

In 1888 Brush construye la que se cree es la primera turbina elicaIn 1888 Brush construye la que se cree es la primera turbina elicapara generacin elctrica, mejorada en los aos siguientes por Poul Lapara generacin elctrica, mejorada en los aos siguientes por Poul La

Cour.Cour.

El primer molino de viento de grandes dimensiones para generacin deEl primer molino de viento de grandes dimensiones para generacin deelectricidad, la turbina Smith-Putnam, fue construida en Vermont enelectricidad, la turbina Smith-Putnam, fue construida en Vermont en1945.1945.

En el ao 2005, existen generadores que producen ms de 5 MW, yEn el ao 2005, existen generadores que producen ms de 5 MW, y

grandes parques (o granjas) elicas instaladas en el margrandes parques (o granjas) elicas instaladas en el mar(offshore).(offshore).


6/76

3000 ACBarcos de velautilizan energaelica

2000 ACMolinos pararegar

644Molino deviento persa

1100Molinos de

viento enEuropa

1300Uso intensivo delviento en Dinamarca

para drenar tierra

1854 Halladayintroduce en USA

el molino de vientomultipala

1890 P. La Courincorpora un generadorelctrico a un molino deviento

1941 La turbinaelctrica de Putman-

Smith se construye enVermont

Algunos hitos en la historia de la energa elica


7/76

En 1888 Brush construy la que hoy se cree fue laprimera turbina elica de funcionamiento automtico para

generacin de electricidad (aerogenerador). Tena undimetro de rotor de 17 m y 144 palas fabricadas en

madera de cedro. A pesar del tamao de la turbina, elgenerador era solamente de 12 kW, debido a que las

turbinas elicas de giro lento del tipo americano tienenuna eficiencia media baja (Poul la Cour ms tarde

descubri que las turbinas elicas de giro rpido conpocas palas de rotor son ms eficientes para la

produccin de electricidad que las de giro lento).La

turbina funcion durante 20 aos actuando comocargador de bateras.

Turbina elica de Brush enCleveland(12 kW, 17 metros)

Poul la Cour (1846-1908), es considerado el pionero de lasmodernas turbinas elicas generadoras de electricidad.Tambin fu uno de los pioneros de la modernaaerodinmica, y construy su propio tnel de viento pararealizar experimentos. En 1918 unas 120 empresas pblicaslocales tenan un aerogenerador, generalmente del tamaode 20 a 35 kW.

Aerogeneradores La Cour

Evolucin tecnolgica del aerogenerador


8/76


9/76

La mquina Bonus 30 kW,fabricada desde 1980, es unejemplo de uno de los primerosmodelos de los fabricantes

actuales.

Aerogenerador Bonus30 kW

La generacin de aerogeneradores de 55 kWque fueron desarrollados en 1980-1981supuso la ruptura industrial y tecnolgicapara los modernos aerogeneradores. El costedel kilovatio-hora (kWh) de electricidad cayalrededor de un 50 por ciento con la aparicinde esta nueva generacin. La industria elicase hizo mucho ms profesional.

Aerogeneradores

En los aos 70, despus de la primera crisis del petrleo (1973), el inters por la energaelica se reaviv con fuerza en muchos paises. En Dinamarca, Alemania, Suecia, el ReinoUnido y los EE.UU., las compaas de energa dirigieron su atencin a la construccin degrandes aerogeneradores. En 1979 se construyeron dos aerogeneradores Nibe de 630

kW, uno con regulacin por cambio de paso de pala y el otro de regulacin por prdidaaerodinmica. Las turbinas resultaron extremadamente caras y, en consecuencia, el altoprecio de la energa devino un argumento clave en contra de la energa elica.
http://www.windpower.org/res/bonus30.jpghttp://www.windpower.org/res/bonus30.jpghttp://www.windpower.org/res/bonus30.jpghttp://www.windpower.org/res/bonus30.jpghttp://www.windpower.org/res/bonus30.jpghttp://www.windpower.org/res/bonus30.jpghttp://www.windpower.org/res/bonus30.jpg


10/76

Evolucin del tamao de losaerogeneradores

* El dimetro de rotor esel dimetro del reacircular barrida por laspalas

Relacin entre lapotencia nominal y eldimetro de rotor enuna turbina elicamoderna tpica

En la seccin 3 veremoscon ms detalle cmo

unciona un aerogeneradormoderno


11/76

2. El viento y su2. El viento y suaprovechamiento energticoaprovechamiento energtico


12/76

2.1. Naturaleza y clasificacin delvientoEn este apartadovemos primero(aqu abajo) la

clasificacinconvencional delviento en funcinde su velocidad(espaol eingls) . Acontinuacinestudiamos elorigen del viento adistintas escalasgeogrficas.

Escala de velocidades de viento

Velocidades de viento a 10 m dealtura

EscalaBeaufort

(anticuada)

Viento

m/s nudos

0,0-0,4 0,0-0,9 0 Calma

0,4-1,8 0,9-3,5 1 Ligero

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 Fuerte

14-17 28-34 7

17-21 34-41 8 Temporal

21-25 41-48 9

25-29 48-56 10 Fuertetemporal

29-34 56-65 11

>34 >65 12 Huracn

1 m/s = 3,6 km/h = 2,237 millas/h = 1,944 nudos

1 nudo = 1 milla nutica/h = 1,125 millas/h =1,852 km/h = 0,5144 m/s


13/76

Naturaleza y causas del vientoNaturaleza y causas del viento

Los vientos tienen distinto origen o naturaleza segn la escalageogrfica en la que varan:

Variacin a escala global, 10.000 km (vientos geostrficos)

Variacin en la macroescala, 1.000 kmVariacin en la mesoescala, 100 kmVariacin en la microescala, 10 km

De dnde viene la energa elica?

Todas las fuentes de energa renovables (excepto la maremotriz y la geotrmica),

incluyendo la energa de los combustibles fsiles, provienen, en ltimo trmino,del sol. La Tierra recibe 1,74 x 1014 kW de potencia del sol.

Alrededor de un 1 a un 2% de la energa proveniente del sol es convertida enenerga elica. Esto supone una energa alrededor de 50 a 100 veces superior a laconvertida en biomasa por todas las plantas de la tierra.


14/76

Causas del viento a escala globalCausas del viento a escala global

Desigual calentamiento de la tierra (tambin causa de vientos a menor escala)

Las regiones alrededor del ecuador, a 0 de latitud, son calentadas por el sol ms que las zonas delresto del globo. Estas reas calientes estn indicadas en colores clidos, rojo, naranja y amarillo, enesta imagen de rayos infrarrojos de la superficie del mar (tomada de un satlite de la NASA, NOAA-7, en julio de 1984).

El aire caliente es ms ligero que el aire fro, por lo que subir hasta alcanzar una altura aproximadade 10 km y se extender hacia el norte y hacia el sur. Si el globo no rotase, el aire simplementellegara al Polo Norte y al Polo Sur, para posteriormente descender y volver al ecuador. Veamos losefectos de la rotacin de La Tierra


15/76

En la pgina siguiente veremos como la fuerza de Coriolis afecta a las direcciones del viento en el globo.

La fuerza de Coriolis es por tanto una fuerza ficticia o inercial que explica el efecto descrito cuando se obvia que elobservador (nosotros) est girando. La fuerza de Coriolis es un fenmeno visible. Las vas del ferrocarril se desgastan

ms rpidamente de un lado que del otro. Las cuencas de los ros estn excavadas ms profundamente en una caraque en la otra (de cual se trate depende en qu hemisferio nos encontremos : en el hemisferio norte las partculassueltas son desviadas hacia la derecha).

En el hemisferio norte el viento tiende a girar en el sentido contrario al de las agujas del reloj (visto desde arriba)cuando se acerca a un rea de bajas presiones. En el hemisferio sur el viento gira en el sentido de las agujas del relojalrededor de reas de bajas presiones.

Considere este cono rojo (a la derecha) movindose haciael sur en la direccin del vrtice del cono. La Tierra estgirando si la miramos desde una cmara situada en elespacio exterior. El cono se est moviendo recto hacia elsur. Las imgenes son vistas frontales y de planta.

Al lado se muestran las mismas imgenes de arriba con lacmara fija sobre la superficie terrestre. Mire atentamente yse dar cuenta de que el cono rojo est girando sobre unacurva hacia la derecha mientras se mueve. La razn por la

que el cono no se mueve en la direccin recta en la que estapuntando es que nosotros, como observadores, estamosgirando con el globo.

La fuerza de Coriolis


16/76

Influencia en el viento de la fuerza deCoriolisDebido a la rotacin del globo, como acabamos de ver, cualquier movimientoen el hemisferio norte es desviado hacia la derecha, si se mira desde nuestra

posicin en el suelo (en el hemisferio sur es desviado hacia la izquierda). Esta

aparente fuerza de curvatura es conocida como fuerza de Coriolis (debido almatemtico francs Gustave Gaspard Coriolis 1792-1843).

El viento sube desde el ecuador y se desplaza hacia el norte y hacia el sur en las capas ms altas de la atmsfera.Alrededor de los 30 de latitud en ambos hemisferios la fuerza de Coriolis evita que el viento se desplace ms all. Enesa latitud se encuentra un rea de altas presiones, por lo que el aire empieza a descender de nuevo. Cuando el viento suba

desde el ecuador habr un rea de bajas presiones cerca del nivel del suelo atrayendo los vientos del norte y del sur. En los polos, habr altas presiones debido al aire fro. Teniendo en mente la fuerza de curvatura de la fuerza de Coriolis,obtenemos los siguientes resultados generales de las direcciones del viento dominantes:

Latitud 90-60N 60-30N 30-0N 0-30S 30-60S 60-90S

Direccin NE SO NE SE NO SE

Direcciones de viento dominantes

El espesor de la atmsfera est exagerado en el dibujo de arriba (hecho a partir de una fotografa tomada desde elsatlite de la NASA GOES-8). Realmente la atmsfera tiene un espesor de slo 10 km, lo que representa 1/1200 deldimetro del globo. Esta parte de la atmsfera, conocida con el nombre de troposfera, es donde ocurren todos losfenmenos meteorolgicos (y tambin el efecto invernadero). Las direcciones dominantes del viento son importantes

para el emplazamiento de un aerogenerador, ya que obviamente querremos situarlo en un lugar en el que haya el

mnimo nmero de obstculos posibles para las direcciones dominantes del viento. Sin embargo la geografa local puede influenciar en los resultados de la tabla anterior (ver pginas siguientes, despus de los mapas de vientos

V i i d l i t lV i i d l i t l


17/76

Variacin del viento a escalaVariacin del viento a escalaglobalglobal


18/76

Lo mismo,en ms detalle(en ingls )


19/76

Variacin del viento en la macro-Variacin del viento en la macro-escalaescala

Causa: combinacin de fuerzas de presin y de Coriolis


20/76

Variacin del viento en la meso-escala: brisas marinasVariacin del viento en la meso-escala: brisas marinas

DIA

NOCH

E

Durante el da la tierra se calienta ms rpidamente que el mar porefecto del sol (debido al menor calor especfico del agua). El airesube, circula hacia el mar, y crea una depresin a nivel del suelo queatrae el aire fro del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. A

menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando lastemperaturas del suelo y del mar se igualan. Durante la noche losvientos soplan en sentido contrario. Normalmente durante la noche la

brisa terrestre tiene velocidades inferiores, debido a que la diferenciade temperaturas entre la tierra y el mar es ms pequea. El conocidomonzn del sureste asitico es en realidad una forma a gran escala dela brisa marina y la brisa terrestre, variando su direccin segn la

estacin, debido a que la tierra se calienta o enfra ms rpidamenteque el mar.

V i i d l i t l l i t dVariacin del iento en la meso escala ientos de


21/76

Variacin del viento en la meso-escala: vientos deVariacin del viento en la meso-escala: vientos demontaamontaa

DIA

NOCH

E

El viento del valle se origina en las laderas que dan al sur (oen las que dan al norte en el hemisferio sur). Cuando lasladeras y el aire prximo a ellas estn calientes la densidaddel aire disminuye, y el aire asciende hasta la cima siguiendola superficie de la ladera. Durante la noche la direccin del

viento se invierte, convirtindose en un viento que fluyeladera abajo. Si el fondo del valle est inclinado, el aire puedeascender y descender por el valle; este efecto es conocidocomo viento de can. Los vientos que soplan en las laderas asotavento pueden ser bastante potentes. Ejemplo de ello son:El Fhon de los Alpes en Europa, el Chinook en las MontaasRocosas y el Zonda en los Andes.

Ejemplos de otros sistemas de viento locales son el Mistral,soplando a lo largo del valle del Rhone hasta el Mar

Mediterrneo, y el Sirocco, un viento del sur proveniente delSahara que sopla hacia el Mar Mediterrneo.

V i i d l i t lV i i d l i t l


22/76

Variacin del viento en laVariacin del viento en lamicroescalamicroescala

Causa: pequeosobstculos,cerros, colinas, estelas deaeroturbinas u otrosobstculos

Zona de flujo turbulento tras edificio

Viento prevalenteRegin de

flujo perturbado

Alta velocidad Turbulencia


23/76

Como la masa de aire que atraviesa el rea A en un tiempo tComo la masa de aire que atraviesa el rea A en un tiempo t

eses

m = A dm = A d,y d = Vt (donde V es la velocidad del viento),tenemos que:

V

A

d

2.2. Potencia elica2.2. Potencia elica

Potencia = Trabajo / t = EPotencia = Trabajo / t = EKK / t =/ t =mVmV22 / t/ t

La potencia del viento nos da un primer lmite para la potencia de unaerogenerador.Para calcularla, evaluamos la energa cintica (EK) de la masa de aire (m) que

atraviesa, por unidad de tiempo, la seccin barrida por las palas (A).

Esquema del cilindro deaire que atraviesa el rotor

en un tiempo tt (discovioleta en el dibujo de laizquierda).El volumen es Vol = A*d:

Potencia elica = AV3

la potencia depende de la velocidad al CUBO !

Potencia = (Ad)VPotencia = (Ad)V22/t = =AV/t = =AV22(d/t) = AV(d/t) = AV33


24/76

Potencia de una turbina: coeficiente de potencia CPotencia de una turbina: coeficiente de potencia CPP

La fraccin de la energa del viento que una turbina convierte en la prctica en energamecnica de rotacin se llama coeficiente de potencia (CP) de esa turbina. As:

Potencia de una turbina = CP * Potencia del viento = CP AV3

Ntese que una turbina nunca puede extraer

toda la energa cintica del viento, puestoque el aire no se para al atravesar la turbina(es decir, CP < 1). Su velocidad disminuye de

v1 a v2, como muestra la figura. Por

conservacin de la masa, si la velocidaddisminuye, la seccin del tubo de corrienteconsiderado aumenta.

En el apartado siguiente calcularemos cales el mximo coeficiente de potencia conque puede funcionar una turbina (lmite deBetz).


25/76

2.3. Lmite de Betz2.3. Lmite de BetzSea un tubo de corriente como el esquematizado en la figura. Se supondr que, a barloventode la hlice, el aire posee una velocidad vv11(velocidad del viento sin perturbar) en la seccin

transversal AA11, mientras que la velocidad v2se corresponde con la seccin transversal AA22 a

sotavento de la zona en que se encuentra la hlice. En el plano que contiene la hlice, la

seccin transversal batida por la misma (rea del rotor) es un disco imaginario de rea AA,siendo vv la velocidad del viento en la misma (velocidad til). Asimilamos la hlice a un discode de rea AA que capta parte de la energa del aire en movimiento que llega a l, es decir vv22

< v< v11. Sin embargo, es obvio que vv22nunca es cero (no puede extraerse toda la energa cintica

del aire).

Modelo de Betz

Qm = Q = A1v1 = A2v2 = A v(1)

El caudal msico (Qm = densidad x caudal = Q) es

constante (conservacin de la masa), es decir:

(Esto explica que el tubo de corriente se ensanche tras laturbina, como vv22 < v< v11, entonces AA22 > A> A11)

Podemos expresar la potencia til transferida por elviento a la turbina de dos maneras:

i) Prdida, por unidad de tiempo, de energa cintica del

viento alpasar por la hlice:

( )( )

2 212 1 2 2 21 2

1 2

1(2)

2

k k k

util

Ad v v E E E P Av v v

t t t

= = = =

donde hemos utilizado los argumentos yvariables definidas dos transparencias atrs;en particular ntese que v = d / t

y ii) el trabajo generado, por unidad de tiempo, por la fuerza del viento (igual, por las leyes 2 y 3 de Newton, amenos la tasa de cambio en la cantidad de movimiento del aire al pasar por la hlice) sobre el rea A:

( ) ( )1 2 2 1 2 (3)util Ad v v

P Fv v Av v vt

= = =

Ntese que, por la 3 ley de Newton:

Fuerza del viento = - Fuerza sobre el viento == - m(v2 v1)/ t = Av(v1 v2)


26/76

( ) ( )2 2 21 2 1 21

2 Av v v Av v v =

De las ecuaciones (2) y (3) anteriores tenemos que

y, por tanto, recordando que (a2 b2) = (a+b)(a-b),que

( )1 2(4)

2

v vv +=

Es decir, en el modelo de Betz, y para que las ecuaciones (2) y (3)sean consistentes entre s, la velocidad del viento en el plano de lahlice (velocidad til) es la media de las velocidades del viento antesy despus de la misma.

Insertemos este resultado en, por ejemplo, la expresin (2) para la potencia de la turbina, yhagamos el cambio vv22 = bv= bv11(sabemos, de la transparencia anterior, que 0 < bb < 1 ):

( ) ( ) ( )2 2 2 3 21 1 1 1 11 1

= 1 1 (5)2 2 4

util

v bv

P A v b v Av b b + = +

El valor mximo para la potencia se obtiene ahorahaciendo

d0

d

utilP

b= , que nos deja:

(1 2 ) (1 )( 2 ) (1 )(1 3 ) 0b b b b b

+ + = + =Soluciones

bb = -1 (sin sentido fsico)

bb = 1/3 vv22 = (1/3) vv11

e modo que la potencia mxima es (sustituyendo la solucin en (5)):

3

1

16 1

27 2util

P Av =

es decir, el coeficiente de potencia mximo (ideal) de una turbina elica (ver dotransparecias atrs) es:

1659 %

27

Betz

PC = LIMITE DE BETZLIMITE DE BETZ


27/76

Consideraciones prcticas.- La ecuacin de Betz proporciona el lmitesuperior de las posibilidades de un aerogenerador, pero es todava pocorealista al no tener en cuenta una serie de factores como:

La resistencia aerodinmica de las palasLa prdida de energa por la estela generada en la rotacin

La compresibilidad del fluidoLa interferencia de las palas

Adems, habr que tener en cuenta adems el rendimiento de los diversosmecanismos que componen el aerogenerador, por lo que considerando porejemplo- el siguiente balance para los distintos componentes:

Rendimiento de Betz ....................................................... 59,3%Rendimiento de la hlice.................................................. 85%Rendimiento del multiplicador........................................ 98%Rendimiento del alternador............................................. 95%Rendimiento del transformador...................................... 98%

se obtiene un rendimiento global de la instalacin del orden del 46%.

La ley de Betz fue formulada por primera vez por el fsico alemn Albert Betz en 1919. Su libro "Wind-Energie",publicado en 1926, proporciona buena parte del conocimiento que en ese momento se tena sobre energaelica y aerogeneradores. Es sorprendente que se pueda hacer una afirmacin general tan tajante que se

pueda aplicar a cualquier aerogenerador con un rotor en forma de disco.

Rendimiento global del aerogeneradorendimiento global del aerogenerador

4 V i bilid d d l l id d d l i t4 V i bilid d d l l id d d l i t


28/76

.4. Variabilidad de la velocidad del viento.4. Variabilidad de la velocidad del vientoVariabilidad del viento a corto plazoLa velocidad del viento est siempre fluctuando, por lo que el contenido energtico del viento varacontinuamente. De qu magnitud sea exactamente esa fluctuacin depende tanto de las condicionesclimticas como de las condiciones de superficie locales y de los obstculos. La produccin deenerga de una turbina elica variar conforme vare el viento, aunque las variaciones ms rpidas

sern hasta cierto punto compensadas por la inercia del rotor de la turbina elica.

Variaciones diurnas (noche y da) del vientoEn la mayora de localizaciones del planeta el viento sopla ms fuerte durante el da que durante lanoche. El grfico de la izquierda muestra, en intervalos de 3 horas, como vara la velocidad delviento a lo largo del da en Beldringe (Dinamarca) (informacin obtenida del Atlas Elico Europeo).Esta variacin se debe sobretodo a que las diferencias de temperatura, p.ej. entre la superficie del mary la superficie terrestre, son mayores durante el da que durante la noche. El viento presenta tambinms turbulencias y tiende a cambiar de direccin ms rpidamente durante el da que durante la

noche. Desde el punto de vista de los propietarios de aerogeneradores, el hecho de que la mayorparte de la energa elica se produzca durante el da es una ventaja, ya que el consumo de energaentonces es mayor que durante la noche. Muchas compaas elctricas pagan ms por la electricidad

producida durante las horas en las que hay picos de carga (cuando hay una falta de capacidadgeneradora barata).

Variacin estacional en la energa elicaEn zonas templadas los vientos de verano son generalmente ms dbiles que los deinvierno. El consumo de electricidad es generalmente mayor en invierno que en verano enestas regiones. Por lo tanto, en zonas fras del planeta la calefaccin elctrica es perfectaen combinacin con la energa elica, pues el enfriamiento de las casas vara con lavelocidad del viento de la misma forma que la produccin de electricidad en losaerogeneradores vara con las velocidades del viento. Las centrales elctricasconvencionales desaprovechan una gran cantidad de calor, as como de combustible (almenos el 60 %), es decir, por cada unidad de calor til consumido por una casa, la centralelctrica ha malgastado 1,5 unidades de calor (y de combustible).

Finalmente, por completitud, mencionar que las variaciones anuales en el viento noresponden a patrones sencillos y son de alrededor de un al 10% (en produccin de energa).

P(v)


29/76

( )

v(m/s)

Para la industria elica es muy importante ser capaz dedescribir la variacin de las velocidades del viento. Los

proyectistas de turbinas necesitan la informacin paraoptimizar el diseo de sus aerogeneradores, as como paraminimizar los costes de generacin. Los inversores necesitan lainformacin para estimar sus ingresos por produccin deelectricidad.

Si se mide las velocidades del viento a lo largo de un ao observar que en la mayora de reas los fuertes vendavales son raros,mientras que los vientos frescos y moderados son bastante comunes. La variacin del viento en un emplazamiento tpico suele

describirse utilizando la llamada Distribucin de Weibull, como la mostrada en el dibujo. Este emplazamiento particular tiene unavelocidad media del viento de 7 metros por segundo, y la forma de la curva est determinada por un parmetro de forma de 2.

La gente que est familiarizada con la estadstica se dar cuenta de que el grfico muestra una distribucin de probabilidad. El rea bajola curva siempre vale exactamente 1, ya que la probabilidad de que el viento sople a cualquiera de las velocidades, incluyendo el cero,debe ser del 100 por cien. La mitad del rea azul est a la izquierda de la lnea negra vertical a 6,6 metros por segundo. Los 6,6 m/s sonla mediana de la distribucin. Esto significa que la mitad del tiempo el viento soplar a menos de 6,6 m/s y la otra mitad soplar a msde 6,6 m/s.

Puede preguntarse por qu decimos entonces que la velocidad del viento media es de 7 m/s. La velocidad del viento media es realmenteel promedio de las observaciones de la velocidad del viento que tendremos en ese emplazamiento. Como podr observar, la distribucinde las velocidades del viento es sesgada, es decir, no es simtrica. A veces tendr velocidades de viento muy altas, pero son muy raras.Por otro lado, las velocidades del viento de 5,5 m/s son las ms comunes. Los 5,5 metros por segundo es el llamado valor modal de ladistribucin. Si multiplicamos cada diminuto intervalo de la velocidad del viento por la probabilidad de tener esa velocidad particular, ylos sumamos todos, obtenemos la velocidad del viento media.

La distribucin estadstica de las velocidades del viento vara de un lugar a otro del globo, dependiendo de las condiciones climticaslocales, del paisaje y de su superficie. Por lo tanto, la Distribucin de Weibull puede variar tanto en la forma como en el valor medio. Siel parmetro de forma es exactamente 2, como en el grfico de esta pgina, la distribucin es conocida como distribucin de Rayleigh.Los fabricantes de aerogeneradores proporcionan grficas de rendimiento para sus mquinas usando la distribucin de Raileigh.

Descripcin de las variaciones delviento: distribucin de Weibull

2 5 C d t i d d


30/76

De la pgina sobre la energa en el viento sabemos que la potencia del viento varaproporcionalmente con el cubo de la velocidad del viento (la tercera potencia), y

proporcionalmente a la densidad del aire (su peso por unidad de volumen).Ahora podemos combinar todo lo que hemos aprendido hasta el momento: simultiplicamos la potencia de cada velocidad del viento con la probabilidadcorrespondiente en la grfica de Weibull , habremos calculado la distribucin deenerga elica a diferentes velocidades del viento = la densidad de potencia.Observe que la curva de Weibull anterior cambia de forma, debido a que las altasvelocidades del viento tienen la mayor parte de la potencia del viento.

De densidad de potencia a potencia disponible

En el grfico de la derecha, el rea bajo la curva gris nos da la cantidad de potenciaelica por metro cuadrado de flujo del viento que puede esperarse en esteemplazamiento en particular. En este caso tenemos una velocidad del viento mediade 7 m/s y un Weibull k = 2, por lo que tenemos 402 W/m 2 . Observe que esta

potencia es casi el doble de la obtenida cuando el viento sopla constantemente a lavelocidad media.

El grfico consta de cierto nmero de columnas estrechas, una para cada intervalo de 0,1 m/s de la velocidad del viento. La altura de cada columna

es la potencia (nmero de vatios por metro cuadrado), con la que cada velocidad del viento en particular contribuye en la cantidad total de potenciadisponible por metro cuadrado. El rea bajo la curva azul indica qu cantidad de potencia puede ser tericamente convertida en potencia mecnica(segn la ley de Betz , ser 16/27 de la potencia total del viento).

El rea total bajo la curva roja nos dice cual ser la potencia elctrica que un aerogenerador producir en dicho emplazamiento. Aprenderemos acalcularlo cuando lleguemos a la pgina sobre curvas de potencia.

Los mensajes ms importantes del grfico

Lo ms importante es observar que la mayor parte de la energa elica se encontrar a velocidades por encima de la velocidad media del viento

(promedio) en el emplazamiento. No es tan sorprendente como parece, ya que sabemos que las velocidades del viento altas tienen un contenidoenergtico mucho mayor que las velocidades del viento bajas.

uncin de densidad de potencia

2.5. Curva de potencia de un aerogenerador


31/76

urva de potencia de un aerogenerador

Velocidad de conexin

Normalmente, los aerogeneradores estn diseados para empezar a girar a velocidadesalrededor de 3-5 m/s. Es la llamada velocidad de conexin. El rea azul de la izquierda(en la grfica de la pgina anterior) muestra la pequea cantidad de potencia perdidadebido al hecho de que la turbina slo empieza a funcionar a partir de, digamos, 5 m/s.

Velocidad de corteEl aerogenerador se programar para pararse a altas velocidades del viento, de unos 25m/s, para evitar posibles daos el la turbina o en sus alrededores. La velocidad delviento de parada se denomina velocidad de corte. La minscula rea azul de la derecharepresenta la prdida de potencia.

La curva de potencia de un aerogenerador es un grfico que indica culser la potencia elctrica disponible en el aerogenerador a diferentesvelocidades del viento. Dos velocidades caractersticas en estas curvas

son:

Curva de potencia tpica de unaerogenerador de 600 kW

Las curvas de potencia se obtienen a partir de medidas realizadas en campo, dnde un anemmetro es situado sobre unmstil relativamente cerca del aerogenerador (no sobre el mismo aerogenerador ni demasiado cerca de l, pues el rotordel aerogenerador puede crear turbulencia, y hacer que la medida de la velocidad del viento sea poco fiable). Si lavelocidad del viento no est variando demasiado rpidamente, pueden usarse las medidas de la velocidad del vientorealizadas con el anemmetro y leer la potencia elctrica disponible directamente del aerogenerador, y dibujar los dostipos de valores conjuntamente en un grfico similar al de arriba.


32/76

Incertidumbre en mediciones de curvas de potenciaEn realidad, en el grfico (construido justo como acaba de explicarse) puede verse una nube de puntos esparcidos alrededor de la lnea negra, yno una curva bien definida. El motivo es que en la prctica la velocidad del viento siempre flucta, y no se puede medir exactamente lacolumna de viento que pasa a travs del rotor del aerogenerador (colocar un anemmetro justo enfrente del aerogenerador no es una solucinfactible, ya que el aerogenerador tambin proyectar un "abrigo" que frenar el viento enfrente de l). As pues, en la prctica se debe tomar un

promedio de las diferentes medidas para cada velocidad del viento, y dibujar el grfico con esos promedios. Adems, es difcil hacer medidas

exactas de la propia velocidad del viento. Si se tiene un 3 por ciento de error en las mediciones de la velocidad del viento, entonces la energadel viento puede ser un 9 por ciento superior o inferior (recuerde que el contenido energtico vara con la tercera potencia de la velocidad delviento). En consecuencia, pueden existir errores hasta de 10% incluso en curvas certificadas.

Las curvas de potencia estn basadas en medidas realizadas en zonas de baja intensidad de turbulencias , y con el viento viniendo directamentehacia la parte delantera de la turbina. Las turbulencia locales y los terrenos complejos (p.e. aerogeneradores situados en una pendiente rugosa)

pueden implicar que rfagas de viento golpeen el rotor desde diversas direcciones. Por lo tanto, puede ser difcil reproducir exactamente lacurva en una localizacin cualquiera dada.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27

Velocidad (m/s)

Produccin(kWh/10minutos)


33/76

Recurdese que el coeficiente de potencia indica con qu eficiencia el aerogenerador convierte la energa del viento enelectricidad. Ahora podemos calcular cul es el coeficiente de potencia real de un aerogenerador dado:

evisitando el coeficiente de potencia

Una mayor eficiencia tcnica no es necesariamente el camino a seguir

No es un fin en si mismo el tener una gran eficiencia tcnica en un aerogenerador. Lo que en realidad interesa es el coste de sacar los kWhdel viento durante los prximos 20 aos. Dado que en este caso el combustible es gratis no hay necesidad de ahorrarlo. Por tanto, laturbina ptima no tiene por qu ser necesariamente la de mayor produccin anual de energa. Por otro lado, cada metro cuadrado de reade rotor cuesta dinero, por lo que, por supuesto, es necesario obtener toda la energa que se pueda (mientras puedan limitarse los costes porkWh). Volveremos sobre este tema en la pgina de optimizacin de aerogeneradores.

Para ello simplemente dividiremos la potencia elctrica disponible por la potencia elicade entrada. En otras palabras, tomamos la curva de potencia y la dividimos por el readel rotor para obtener la potencia disponible por metro cuadrado de rea del rotor.Posteriormente, para cada velocidad del viento, dividimos el resultado por la cantidad de

potencia en el viento por metro cuadrado.

El grfico muestra la curva del coeficiente de potencia para un aerogenerador danstpico. Aunque la eficiencia media de estos aerogeneradores suele estar por encima del20 por cien, la eficiencia vara mucho con la velocidad del viento (pequeas oscilaciones

en la curva suelen ser debidas a errores de medicin).Como puede observar, la eficiencia mecnica del aerogenerador ms alta (en este casodel 44%) se da a velocidades alrededor de 9 m/s. Este valor ha sido elegidodeliberadamente por los ingenieros que disearon la turbina. A bajas velocidades delviento la eficiencia no es tan alta, ya que no hay mucha energa que recoger. A altasvelocidades del viento, la turbina debe disipar cualquier exceso de energa por encima deaquella para la que ha sido diseado el generador. As pues, la eficiencia interesasobretodo en la zona de velocidades de viento donde se encuentra la mayor parte de la

energa.


34/76

Otra forma de conocer la produccin anual de energa de un aerogenerador es mirar el factor de carga de una turbina ensu localizacin particular. Con factor de carga queremos decir la produccin anual de energa dividida por la

produccin terica mxima, si la mquina estuviera funcionando a su potencia nominal (mxima) durante las 8766

horas del ao.Ejemplo: si una turbina de 600 kW produce 1,5 millones de kWh al ao, 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 pueden variar en teora del 0 al 100, aunque en la prctica el rango de variacin va del 20 al 70por ciento, y muy frecuentemente estn alrededor del 20 al 30 por ciento.

La paradoja del factor de carga

Aunque generalmente se preferira tener un gran factor de carga, puede no ser siempre ventajoso desde el punto devista econmico. Esto puede ser difcil de comprender para aquellos que estn acostumbrados a la tecnologaconvencional y nuclear.

En localizaciones con mucho viento, por ejemplo, puede ser ventajoso usar un generador ms grande (de mayorpotencia nominal) con el mismo dimetro de rotor (o dimetro de rotor ms pequeo para un tamao determinado de

generador). Esto tendera a disminuir el factor de carga (utilizando menos de la capacidad de un generadorrelativamente grande), pero puede significar una produccin anual sustancialmente mayor. Si vale o no la pena tenerun menor factor de carga con un generador relativamente mayor, depende tanto de las condiciones elicas como, porsupuesto, del precio de los diferentes modelos de turbinas.

Otra forma de ver la paradoja del factor de carga es decir que, hasta cierto punto, se tiene la posibilidad de elegir entretener un produccin de potencia relativamente estable (cerca del lmite de diseo del generador) con un alto factor decarga, o bien una alta produccin de energa (que fluctuar) con un bajo factor de carga.

El factor de carga


35/76

3. Instalaciones Elicas3. Instalaciones Elicas

1 Componentes de un aerogenerador


36/76

1. Componentes de un aerogenerador

GndolaPala del rotor

Eje de bajavelocidad

Buje del rotor

Multiplicador

Generadorelctrico

Mecanismo deorientacinEje de alta

velocidad

Sistemahidralico

Anemmetr

y veleta

Controlador

electrnico

Torre

Unidad derefrigeracin
http://www.windpower.org/es/tour/wres/wndspeed.htm


37/76

La gndola contiene los componentes clave delaerogenerador, incluyendo el multiplicador y elgenerador elctrico. El personal de servicio puedeentrar en la gndola desde la torre de la turbina. A laizquierda de la gndola tenemos el rotor delaerogenerador, es decir, las palas y el buje.

El buje del rotor est acoplado al eje de baja velocidaddel aerogenerador.

Las 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 diseo es muy parecido al del ala de unavin.

El eje de baja velocidad del aerogenerador conecta el buje del rotor al multiplicador. En un aerogenerador moderno de600 kW el rotor gira bastante lentamente, de unas 19 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.). El eje contiene conductos del

sistema hidrulico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinmicos.El eje de alta velocidad gira aproximadamente a 1.500 revoluciones por minuto (r.p.m.), lo que permite elfuncionamiento del generador elctrico. Est equipado con un freno de disco mecnico de emergencia. El freno mecnicose utiliza en caso de fallo del freno aerodinmico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.

El multiplicador tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que est a su derechagire 50 veces ms rpidamente que el eje de baja velocidad.

El generador elctrico suele llamarse generador asncrono o de induccin. En un aerogenerador moderno la potenciamxima suele estar entre 500 y 3000 kilovatios (kW).

Gndolas (con buje) listas para ser montadas

El mecanismo de orientacin es activado por el controlador


38/76

El sistema hidrulico es utilizado para restaurar los frenos aerodinmicos del aerogenerador.

La unidad de refrigeracin contiene un ventilador elctrico utilizado para enfriar el generador elctrico. Adems contieneuna unidad de refrigeracin del aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadoresenfriados por agua.

El anemmetro y la veleta se utilizan para medir la velocidad y la direccin del viento. Las seales electrnicas del

anemmetro son utilizadas por el controlador electrnico del aerogenerador para conectar el aerogenerador cuando el vientoalcanza aproximadamente 5 metros por segundo. El ordenador parar el aerogenerador automticamente si la velocidad delviento excede de 25 metros por segundo, con el fin de proteger a la turbina y sus alrededores. Las seales de la veleta sonutilizadas por el controlador electrnico del aerogenerador para girar al aerogenerador en contra del viento, utilizando elmecanismo de orientacin.

La torre del aerogenerador soporta la gndola y el rotor. En los grandes aerogeneradores las torres tubulares pueden ser deacero, de celosa o de hormign. Las torres tubulares tensadas con vientos slo se utilizan en aerogeneradores pequeos

(cargadores de bateras, etc.).

El mecanismo de orientacin es activado por el controladorelectrnico, que vigila la direccin del viento utilizando laveleta. El dibujo muestra la orientacin de la turbina.

Normalmente, la turbina slo se orientar unos pocos gradoscada vez, cuando el viento cambia de direccin.

Mecanismo de orientacin de una mquina tpica de 750kW vista desde abajo, mirando hacia la gndola

El controlador electrnico tiene un ordenador quecontinuamente monitoriza las condiciones del aerogeneradory que controla el mecanismo de orientacin. En caso decualquier disfuncin (por ejemplo, un sobrecalentamiento enel multiplicador o en el generador), automticamente para elaerogenerador y llama al ordenador del operario encargado dela turbina a travs de un enlace telefnico mediante mdem.

2 di i d d


39/76

.2. Aerodinmica de aerogeneradores

Sustentacin

El rotor, compuesto por las palas y el buje, est situado corriente arriba de la torre y tambin la gndola en la mayora de

aerogeneradores modernos. Esto se hace, sobre todo, porque la corriente de aire tras la torre es muy irregular (turbulenta).Qu es lo que hace que el rotor gire? La respuesta parece obvia: el viento.

Pero en realidad, no se trata simplemente de molculas de aire que chocan contra la parte delantera de las palas del rotor.Los aerogeneradores modernos toman prestada de los aviones y los helicpteros tecnologa ya conocida, adems de teneralgunos trucos propios ms avanzados, ya que los aerogeneradores trabajan en un entorno realmente muy diferente, concambios en las velocidades y en las direcciones del viento.

Obsrvese la animacin del perfil cortado (seccin transversal) del ala de un avin. La razn por la que un aeroplano puede volares que el aire que se desliza a lo largo de la superficie superior del ala se mueve ms rpidamente que el de la superficie inferior.Esto implica (por efecto Venturi) una presin ms baja en la superficie superior, lo que crea la sustentacin, es decir, la fuerza deempuje hacia arriba que permite al avin volar.

La sustentacin es perpendicular a la direccin del viento. El fenmeno de la sustentacin es desde hace siglos bien conocido porla gente que trabaja en la construccin de tejados: saben, por experiencia, que el material de la cara a sotavento del tejado (la caraque no da al viento) es arrancado rpidamente si no est correctamente sujeto a su estructura.

F


40/76

Aerodinmica del rotor y diseo de las palas


41/76

Para estudiar como se mueve el viento respecto a las palas del rotor de un aerogenerador, hemos fijado lazosrojos en los extremos de las palas del rotor, y lazos amarillos a una distancia al buje de aproximadamente 1/4 lalongitud de la pala.A continuacin dejamos los lazos flotar en el aire libremente (en el dibujo no se han tenido en cuenta lascorrientes turbulentas creadas por las propias palas ni tampoco la fuerza centrfuga). Las dos imgenes deesta pgina le proporcionan una vista lateral de la turbina, y otra vista desde la parte delantera de laturbina.

Dado que la mayora de las turbinas tienen una velocidad de giro constante, la velocidad a la que semueve la punta de la pala (velocidad perifrica) en un aerogenerador tpico suele estar alrededor de 64 m/s(en el centro del buje la veocidad, claro, es nula). A un cuarto de la longitud de la pala, la velocidad ser

entonces de 16 m/s. Los lazos amarillos, cerca del buje del rotor, sern llevados ms hacia la parte de atrsde la turbina que los lazos rojos, en los extremos de las palas.

Esto es debido a que la velocidad del viento visto desde un punto de la pala es la suma vectorial de lavelocidad del viento (visto por un observador fijo) ms la velocidad de ese punto de la pala, que a suvez es v = r (donde r es la distancia del punto al buje).

Por qu estn torsionadas las palas del rotor?

Las palas del rotor de los grandes aerogeneradores estn siempre torsionadas. Visto desde la pala del rotor,el viento llegar desde un ngulo (ngulo de ataque) mucho mayor (ms desde la direccin general deviento en el paisaje) conforme nos desplazamos hacia el buje (es decir, hacia la base de la pala) ver lasiguiente diapositiva.

Tal como vio en la pgina sobre prdida de sustentacin, la pala de un rotor dejar de proporcionarsustentacin si el viento llega con un ngulo de ataque demasiado grande. As pues, la pala debe estaralabeada, con el fin de que el ngulo de ataque sea el ptimo a lo largo de toda la longitud de la misma.Sin embargo, en el caso particular de aerogeneradores controlados por prdida aerodinmica ("stallcontrolled") es importante que la pala est construida de tal forma que la prdida de sustentacin se

produzca de forma gradual desde la raz de la pala y hacia el exterior a velocidades de viento altas.

El viento que llega a las palas del rotor de un aerogenerador no viene de la direccin en la que el viento sopla en elentorno, es decir, de la parte delantera de la turbina. Esto es debido a que las propias palas del rotor se estn moviendo.

Aerodinmica del rotor y diseo de las palas

riaciones en la velocidad del viento: efecto en el ngulo de ataque


42/76

Las variaciones en la velocidad del viento tienen un mayor efecto en elngulo de ataque cerca de la base de la pala que en su extremo.

En la animacin de la derecha hemos sacado una de las palas del rotor de lapgina anterior fuera de su buje, y miramos desde el buje hacia el extremo, enla parte posterior (cara a sotavento) de la pala. El viento en el paisaje sopla de 8

a 16 m/s (desde la parte inferior del dibujo), mientras que el extremo de la palagira hacia la parte izquierda de la imagen (de modo que el aire que corta semueve hacia la derecha respecto a la pala).

En el dibujo puede verse como el ngulo de ataque del viento cambia muchoms bruscamente en la base de la pala (lnea amarilla), que en el extremo de la

pala (lnea roja), cuando el viento cambia. En el primer caso (base de la pala),se han aadido a la figura los vectores velocidad del viento en el paisaje y eldebido a la rotacin de la pala (ver la leyenda abajo del todo) para enfatizar que

es su suma vectorial la que determina el ngulo de ataque. Las representacionesvectoriales de abajo ayudan a entender la idea. As, si el viento llega a ser losuficientemente fuerte como para que haya una prdida de sustentacin , estefenmeno empezar en la base de la pala.

riaciones en la velocidad del viento: efecto en el ngulo de ataque

Vector velocidad del viento en el paisaje

Vector velocidad del viento debido a la rotacin de las palas (= r)

Vectores velocidad total

a) Cerca de la base de lapala

b) En el extremo de la pala

= ngulo de ataque

ireccin de sustentacin perfil y materiales de las palas


43/76

Direccin de sustentacin

Cortemos ahora la pala del rotor en el punto por el que pasa la lneaamarilla. En el siguiente dibujo la flecha gris muestra la direccin de lasustentacin en ese punto. La sustentacin es perpendicular a la direccin

del viento. Tal y como puede observar, la sustentacin empuja la pala parcialmente en la direccin que nosotros queremos, es decir, hacia laizquierda. Sin embargo, tambin la dobla otro tanto.

Perfiles de la pala del rotor (secciones transversales)

Como puede ver, las palas del rotor de un aerogenerador se parecen muchoa las alas de un avin. De hecho, los diseadores de palas de rotor usan amenudo perfiles clsicos de alas de avin como seccin transversal de la

parte ms exterior de la pala. Sin embargo, los perfiles gruesos de la partems interior de la pala suelen estar especficamente diseados para turbinaselicas. La eleccin de los perfiles de las palas del rotor conlleva unasolucin de compromiso entre unas caractersticas adecuadas desustentacin y prdida de sustentacin, y la habilidad del perfil parafuncionar bien incluso si hay algo de suciedad en su superficie (lo cual

puede ser un problema en reas en las que llueve poco).

Materiales de la pala del rotorLa mayora de las modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores estn fabricadas con plstico reforzado con fibra de vidrio("GRP"), es decir, polister o epoxy reforzado con fibra de vidrio. Utilizar fibra de carbono o aramidas (Kevlar) como material de refuerzoes otra posibilidad, pero normalmente estas palas son antieconmicas para grandes aerogeneradores. Los materiales compuestos(composites) de madera, madera-epoxy, o madera-fibra-epoxy an no han penetrado en el mercado de las palas de rotor, aunque existe undesarrollo continuado en ese rea. Las aleaciones de acero y de aluminio tienen problemas de peso y de fatiga del metal, respectivamente.Actualmente slo son utilizados en aerogeneradores muy pequeos.

ireccin de sustentacin, perfil y materiales de las palas

3 C t l d t i d


44/76

Los aerogeneradores estn diseados para producir energa elctrica de la forma ms barata posible. As pues, estn generalmentediseados para rendir al mximo a velocidades alrededor de 15 m/s. Es mejor no disear aerogeneradores que maximicen su rendimiento avientos ms fuertes, ya que los vientos tan fuertes no son comunes. En el caso de vientos ms fuertes es necesario gastar parte del excesode la energa del viento para evitar daos en el aerogenerador. En consecuencia, todos los aerogeneradores estn diseados con algn tipo

de control de potencia. Hay varias formas de hacerlo con seguridad en los modernos aerogeneradores:1. Regulacin de potencia por cambio del ngulo de paso (pitch-controlled)

2. Regulacin pasiva por prdida aerodinmica (stall-controlled)

3. Regulacin activa por prdida aerodinmica

.3. Control de potencia en aerogeneradores

1. Regulacin de potencia por cambio del ngulo de paso ("pitch controlled")

En un aerogenerador de regulacin por cambio del ngulo de paso, el controlador electrnico de laturbina comprueba varias veces por segundo la potencia generada. Cuando sta alcanza un valordemasiado alto, el controlador enva una orden al mecanismo de cambio del ngulo de paso, queinmediatamente hace girar las palas del rotor ligeramente fuera del viento (del paisaje). Y a lainversa, las palas son vueltas hacia el viento cuando ste disminuye de nuevo.

As pues, las palas del rotor deben ser capaces de girar alrededor de su eje longitudinal (variar elngulo de paso), tal y como se muestra en el dibujo. Observe que el dibujo est exagerado: durante

la operacin normal, las palas girarn una fraccin de grado cada vez (y el rotor estar girando almismo tiempo).

El diseo de aerogeneradores controlados por cambio del ngulo de paso requiere una ingenieramuy desarrollada, para asegurar que las palas giren exactamente el ngulo deseado. En este tipo deaerogeneradores, el ordenador generalmente girar las palas unos pocos grados cada vez que elviento cambie, para mantener un ngulo ptimo que proporcione el mximo rendimiento a todaslas velocidades de viento. El mecanismo de cambio del ngulo de paso suele funcionar de formahidrulica.


45/76

2. Regulacin por prdida aerodinmica ("stall controlled")

Los aerogeneradores de regulacin (pasiva) por prdida aerodinmica tienen las palas del rotor unidas al buje en unngulo fijo. Sin embargo, el perfil de la pala ha sido aerodinmicamente diseado para asegurar que, en el momento en

que la velocidad del viento sea demasiado alta, se crear turbulencia en la parte de la pala que no da al viento, tal ycomo se mostraba cinco diapositivas atrs. Esta prdida de sustentacin evita que la fuerza ascensional de la pala actesobre el rotor.

Si ha ledo la seccin sobre prdida de sustentacin se dar cuenta de que conforme aumenta la velocidad real del vientoen la zona, el ngulo de ataque de la pala del rotor tambin aumentar, hasta llegar al punto de empezar a perdersustentacin. Si mira con atencin la pala del rotor de un aerogenerador regulado por prdida aerodinmica observarque la pala est ligeramente torsionada a lo largo de su eje longitudinal. Esto es as en parte para asegurar que la pala

pierda la sustentacin de forma gradual, en lugar de hacerlo bruscamente, cuando la velocidad del viento alcanza suvalor crtico (otras razones para torsionar la pala fueron mencionadas en la seccin sobre aerodinmica del rotor).

La principal ventaja de la regulacin por prdida aerodinmica es que se evitan las partes mviles del rotor y uncomplejo sistema de control. Por otro lado, la regulacin por prdida aerodinmica representa un problema de diseoaerodinmico muy complejo, y comporta retos en el diseo de la dinmica estructural de toda la turbina, para evitar lasvibraciones provocadas por la prdida de sustentacin. Alrededor de las dos terceras partes de los aerogeneradores queactualmente se estn instalando en todo el mundo son mquinas de regulacin por prdida aerodinmica.


46/76

Un nmero creciente de grandes aerogeneradores (a partir de 1 MW) estn siendo desarrollados con un mecanismo de regulacinactiva por prdida aerodinmica. Tcnicamente, las mquinas de regulacin activa por prdida aerodinmica se parecen a las deregulacin por cambio del ngulo de paso, en el sentido de que ambos tienen palas que pueden girar. Para tener un momento detorsin razonablemente alto a bajas velocidades del viento, este tipo de mquinas sern normalmente programadas para girar sus

palas como las de regulacin por cambio del ngulo de paso a bajas velocidades del viento (a menudo slo utilizan unos pocospasos fijos, dependiendo de la velocidad del viento). Sin embargo, cuando la mquina alcanza su potencia nominal , observar queeste tipo de mquinas presentan una gran diferencia respecto a las mquinas reguladas por cambio del ngulo de paso: si elgenerador va a sobrecargarse, la mquina girar las palas en la direccin contraria a la que lo hara una mquina de regulacin porcambio del ngulo de paso. En otras palabras, aumentar el ngulo de paso de las palas para llevarlas hasta una posicin de mayorprdida de sustentacin, y poder as consumir el exceso de energa del viento.

Una de las ventajas de la regulacin activa por prdida aerodinmica es que la produccin de potencia puede ser controlada deforma ms exacta que con la regulacin pasiva, con el fin de evitar que al principio de una rfaga de viento la potencia nominal sea

sobrepasada. Otra de las ventajas es que la mquina puede funcionar casi exactamente a la potencia nominal a todas las velocidadesde viento. Un aerogenerador normal de regulacin pasiva por prdida aerodinmica tendr generalmente una cada en la produccinde potencia elctrica a altas velocidades de viento, dado que las palas alcanzan una mayor prdida de sustentacin.

El mecanismo de cambio del ngulo de paso suele operarse mediante sistemas hidralicos o motores elctricos paso a paso. Laeleccin de la regulacin por cambio de paso es sobretodo una cuestin econmica: hay que considerar si vale o no la pena pagarpor la mayor complejidad de la mquina que supone el aadir el mecanismo de cambio de paso de la pala.

3. Regulacin activa por prdida aerodinmica

Otros mtodos de control de potenciaAlgunos aerogeneradores modernos usan alerones (flaps) para controlar la potencia del rotor, al igual que los aviones usan aletaspara modificar la geometra de las alas y obtener as una sustentacin adicional en el momento del despegue.

Otra posibilidad terica es que el rotor oscile lateralmente fuera del viento (alrededor de un eje vertical) para disminuir lapotencia. En la prctica, esta tcnica de regulacin por desalineacin del rotor slo se usa en aerogeneradores muy pequeos (demenos de 1 kW), pues somete al rotor a fuerzas que varan cclicamente y que a la larga pueden daar toda la estructura. Veamosen la siguiente diapositiva ms detalles sobre el mecanismo de orientacin de los aerogeneradores (de eje horizontal):

M i d i i


47/76

Mecanismo de orientacin

El mecanismo de orientacin de un aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento.

Error de orientacin

Se dice que la turbina elica tiene un error de orientacin si el rotor no est perpendicular al viento. Un error de orientacin implica que una

menor proporcin de la energa del viento pasar a travs del rea del rotor (para aqullos que saben matemticas, est proporcin disminuircon el coseno del error de orientacin).

Si esto fuera lo nico que ocurre, el mecanismo de orientacin sera una excelente forma de controlar la potencia de entrada al rotor delaerogenerador. Sin embargo, la parte del rotor ms prxima a la direccin de la fuente de viento estar sometida a un mayor esfuerzo (parflector) que el resto del rotor. De una parte, esto implica que el rotor tendr una tendencia natural a orientarse en contra del viento,independientemente de si se trata de una turbina corriente abajo o corriente arriba. Por otro lado, esto significa que las palas sern torsionadashacia ambos lados en la direccin de "flap" (direccin perpendicular al plano del rotor) a cada vuelta del rotor. Por tanto, las turbinas elicasque estn funcionando con un error de orientacin estarn sujetas a mayores cargas de fatiga que las orientadas en una direccin perpendicular

al viento.

Casi todos los aerogeneradores de eje horizontal emplean orientacinforzada, es decir, utilizan un mecanismo que mantiene la turbinaorientada en contra del viento mediante motores elctricos ymultiplicadores.

La imagen muestra el mecanismo de orientacin de una mquina tpicade 750 kW vista desde abajo, mirando hacia la gndola. En la parte ms

exterior podemos distinguir la corona de orientacin, y en el interior lasruedas de los motores de orientacin y los frenos del sistema deorientacin. Casi todos los fabricantes de mquinas con rotor a

barlovento prefieren frenar el mecanismo de orientacin cuando no estsiendo utilizado. El mecanismo de orientacin es activado por uncontrolador electrnico que vigila la posicin de la veleta de la turbinavarias veces por segundo cuando la turbina est girando.

3.4. Diseo de aerogeneradores


48/76

3.4. Diseo de aerogeneradores

Consideraciones bsicas de cargaCuando se construyen aerogeneradores o helicpteros, deben tenerse en cuenta la resistencia, elcomportamiento dinmico y las propiedades de fatiga de los materiales y de todo el conjunto.

Cargas (fuerzas) extremasLos aerogeneradores estn construidos para atrapar la energa cintica del viento. As pues,se preguntar por qu los modernos aerogeneradores no se construyen con un gran nmerode palas del rotor, como en los viejos molinos de viento "americanos" que ha visto en la

pelculas del Oeste (o en la isla de Mallorca).

Sin embargo, las turbinas con muchas palas o con palas muy anchas, esto es, turbinas con unrotor muy slido, estarn sujetas a fuerzas muy grandes, cuando el viento sopla a unavelocidad de huracn (recuerde que el contenido energtico del viento vara con la el cubode la velocidad del viento).

Los fabricantes de aerogeneradores deben certificar sus turbinas, garantizando que una vezcada 50 aos pueden soportar vientos extremos de unos 10 minutos de duracin. Por lotanto, para limitar la influencia de los vientos extremos, los fabricantes de turbinas optan porconstruir turbinas con pocas palas, largas y estrechas. Para compensar la estrechez de las

palas de cara al viento, los fabricantes de turbinas prefieren dejar que las turbinas girenrelativamente rpidas.

Molino multipala americanopara bombeo de agua

Cargas de fatigaLas aerogeneradores estn sujetos a vientos fluctuantes y, por tanto, a fuerzas fluctuantes. Esto se da particularmente en el caso de estaremplazados en un clima elico muy turbulento. Los componentes sujetos a una flexin repetida pueden desarrollar grietas, que en ltimainstancia pueden provocar la rotura del componente. Un ejemplo de esto es la enorme mquina alemana Growian (100 m de dimetro de rotor),que tuvo que ponerse fuera de servicio en menos de 3 semanas de funcionamiento. La fatiga del metal es un problema bien conocido en muchasindustrias. As pues, generalmente el metal no se elige como material para las palas del rotor. En el diseo de una turbina elica, es muyimportante calcular por anticipado como vibrarn los diferentes componentes, tanto individualmente como en conjunto. Tambin es importantecalcular las fuerzas que participan en cada flexin y estiramiento de un componente. De esto se ocupa la dinmica estructural, donde los fsicos

han desarrollado modelos matemticos de ordenador que analizan el comportamiento de toda la turbina elica. Estos modelos son utilizados porlos fabricantes de turbinas para disear sus mquinas de forma segura.

erogeneradores: Mquinas de eje horizontal o vertical?


49/76

erogeneradores: Mquinas de eje horizontal o vertical?

Aerogeneradores de eje horizontal

La mayor parte de la tecnologa descrita en estas pginas se refiere a aerogeneradores de eje horizontal (o "HAWTs", que corresponde a lassiglas de la denominacin inglesa "horizontal axis wind turbines"). La razn es simple: todos los aerogeneradores comerciales conectados a lared se construyen actualmente con un rotor tipo hlice de eje horizontal. El grfico de abajo muestra el rendimiento (a travs del coeficiente de

potencia) de los distintos tipos de aerogeneradores que se discuten brevemente

Por supuesto, la finalidad del rotor es la de convertir el movimiento lineal del viento en energa rotacional que pueda ser utilizada para hacerfuncionar el generador. El mismo principio bsico es el que se utiliza en las modernas turbinas hidralicas, en las que la corriente de agua es

paralela al eje de rotacin de los labes de la turbina.

Darrieus

Aeroturbina convencional

de eje horizontal

Savonius

Multipala

Velocidad especfica

Turbina

ideal

Coeficiente de potencia (frente a velocidad) paradistintos tipos de aerogeneradores

Aerogeneradores tripala de ejehorizontal

Aerogeneradores de eje vertical


50/76

Como probablemente recordar, en las clsicas norias de agua el agua llegaba en ngulo recto(perpendicular) respecto al eje de rotacin de la noria. Los aerogeneradores de eje vertical (o"VAWTs", como algunos les llaman) son como las norias en ese sentido (algunos tipos deturbinas de eje vertical realmente tambin podran trabajar con un eje horizontal, aunque apenasseran capaces de mejorar la eficiencia de una turbina de tipo hlice). La nica turbina de eje

vertical que ha sido comercialmente fabricada a todos los volmenes es la mquina Darrieus, quedebe su nombre al ingeniero francs Georges Darrieus, quien patent el diseo en 1931 (fue

producida por la compaa estadounidense FloWind, que quebr en 1997). La mquina Darrieusse caracteriza por sus palas en forma de C, que le hacen asemejarse a un batidor de huevos.

Normalmente se construye con dos o tres palas.

Las principales ventajas tericas de una mquina de eje vertical son:

1) Puede situar el generador, el multiplicador, etc. en el suelo, y puede no tener que necesitar unatorre para la mquina.

2) No necesita un mecanismo de orientacin para girar el rotor en contra del viento.

Las principales desventajas (ms que las ventajas) son:

1) Las velocidades del viento cerca del nivel del suelo son muy bajas, por lo que a pesar de quepuede ahorrase la torre, sus velocidades de viento sern muy bajas en la parte ms inferior de surotor.

2) La eficiencia promedio de las mquinas de eje vertical no es impresionante.

3) La mquina no es de arranque automtico (es decir, una mquina Darrieus necesitar un"empuje" antes de arrancar. Sin embargo, esto es slo un inconveniente sin importancia, ya que

puede utilizar el generador como motor absorbiendo corriente de red para arrancar la mquina).

4) La mquina puede necesitar cables tensores que la sujeten, aunque esta solucin no espracticable en reas muy cultivadas.

5) Para sustituir el cojinete principal del rotor se necesita desmontar el rotor, tanto en lasmquinas de eje horizontal como en las de eje vertical. En el caso de las ltimas, esto implicaque toda la mquina deber ser desmontada (esta es la razn por la que EOLE 4 del dibujo ya no

est en funcionamiento).

Eole C, un aerogenerador de ejevertical Darrieus de 4200 kW, conun dimetro de rotor de 100 m, en

Cap Chat, Qubec (Canad). Estamquina (que es el aerogeneradorms grande del mundo) ya no estoperacional.

Aerogeneradores de eje vertical

erogeneradores: Cuntas palas?


51/76

g p

Por qu no un nmero par de palas?

Los ingenieros de modernos aerogeneradores evitan construir grandes mquinas con un nmero par de palas.La razn ms importante es la estabilidad de la turbina. Un rotor con un nmero impar de palas (y comomnimo tres palas) puede ser considerado como un disco a la hora de calcular las propiedades dinmicas dela mquina. Un rotor con un nmero par de palas puede dar problemas de estabilidad en una mquina que

tenga una estructura rgida. La razn es que en el preciso instante en que la pala ms alta se flexiona haciaatrs, debido a que obtiene la mxima potencia del viento, la pala ms baja pasa por la sombra del viento deenfrente de la torre. La mayora de aerogeneradores modernos tienen diseos tripala, con el rotor a

barloviento (en la cara de la torre que da al viento), usando motores elctricos en sus mecanismos deorientacin. A este diseo se le suele llamar el clsico "concepto dans", y tiende a imponerse como estndaral resto de conceptos evaluados. La gran mayora de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseeneste diseo. El concepto bsico fue introducido por primera vez por el clebre aerogenerador de Gedser. Otrade las caractersticas es el uso de un generador asncrono. El concepto tripala dans

onceptos bipala (oscilante/basculante) y monopala

Los diseos bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y, por su puesto, su peso.Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en parte porque necesitan una mayorvelocidad de giro para producir la misma energa de salida. Esto supone una desventaja tanto en lo que respectaal ruido como al aspecto visual. ltimamente, varios fabricantes tradicionales de mquinas bipala han cambiadoa diseos tripala.

Las mquinas bi y monopala requieren de un diseo ms complejo, con un rotor basculante (buje oscilante),como el que se muestra en el dibujo, es decir, el rotor tiene que ser capaz de inclinarse, con el fin de evitarfuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las palas pasa por la torre. As pues el rotor est montadoen el extremo de un eje perpendicular al eje principal, y que gira junto con el eje principal. Esta disposicin

puede necesitar de amortiguadores adicionales que eviten que las palas del rotor choquen contra la torre.

Y s, los aerogeneradores monopala existen y, de hecho, ahorran el coste de otra pala! Sin embargo, los aerogeneradores monopala no estnmuy extendidos comercialmente, pues los inconvenientes de los bipala tambin son aplicables, e incluso en mayor medida, a las mquinasmonopala. Adems de una mayor velocidad de giro, y de los problemas de ruido y de intrusin visual, necesitan un contrapeso en el lado del

buje opuesto a la pala que equilibre el rotor. Obviamente, esto anula el ahorro de peso comparado con un diseo bipala.


52/76

3 5 Criterios de emplazamiento3 5 Criterios de emplazamiento


53/76

3.5. Criterios de emplazamiento3.5. Criterios de emplazamiento

Rugosidad: perfil vertical delviento

Influencia de obstculosTurbulenciasAbrigo del vientoApantallamiento en parques elicos

Influencia de la orografa: efectosaceleradores

Efecto tnelEfecto colina

A una gran altura de la superficie del suelo, alrededor de un kilmetro, la superficie terrestreapenas ejerce influencia alguna sobre el viento. Sin embargo, en las capas ms bajas de laatmsfera, las velocidades del viento se ven afectadas por la friccin con la superficieterrestre. En la industria elica se distingue entre rugosidad del terreno, la influencia deobstculos, y la influencia del contorno del terreno, tambin llamada orografa del rea (queejemplificaremos en ltimo lugar con los llamados efectos aceleradores: el efecto tnel y el

efecto colina). Aprenderemos en esta seccin sobre criterios y condiciones de

emplazamiento

Condiciones elicas marinas (parques off-shore)

Seleccin del emplazamiento

R gosidad


54/76

Rugosidad

En general, cuanto ms pronunciada sea la rugosidad del terreno mayor ser la ralentizacin que experimenteel viento. Obviamente, los bosques y las grandes ciudades ralentizan mucho el viento, mientras que las pistasde hormign de los aeropuertos slo lo ralentizan ligeramente. Las superficies de agua son incluso ms lisasque las pistas de hormign, y tendrn por tanto menos influencia sobre el viento, mientras que la hierba altay los arbustos ralentizan el viento de forma considerable.

Es un error habitual creer que, en el caso de acantilados y similares, uno puede aadir la altura del acantiladoa la altura de la torre del aerogenerador para obtener su altura efectiva (cuando el viento viene del mar), antes

de insertarla en la expresin del perfil de viento que acabamos de ver para calcular la velocidad del viento.Evidentemente esto no se puede hacer. El acantilado crear turbulencia, y frenar el viento antes incluso deque llegue al acantilado. Por tanto, la variable z de la expresin del perfil de velocidades es la altura desde labase del aerogenerador.

En la industria elica, la gente suele referirse a la clase de rugosidad o a la longitud de rugosidad (z0)cuando se trata de evaluar las condiciones elicas de un paisaje. Una alta rugosidad de clase 3 4 se refiere aun paisaje con muchos rboles y edificios, mientras que a la superficie del mar le corresponde una rugosidadde clase 0. Las pistas de hormign de los aeropuertos pertenecen a la clase de rugosidad 0.5, al igual que el paisaje abierto y llano pacido por las ovejas. El trmino longitud de rugosidad se refiere a la mximadistancia sobre el nivel del suelo a la que tericamente la velocidad del viento es nula. En la tabla de lasiguiente transparencia pueden consultarse las longitudes de rugosidad aproximadas correspondientes adistintos tipos de paisajes.

Tabla de clases y longitudes de rugosidad


55/76

ab a de c ases y o g tudes de ugos dadClase de

rugosidadLongitud derugosidad z0

(m)

ndice deenerga

(%)

Tipo de paisaje

0 0,0002 100 Superficie del agua0,5 0,0024 73 Terreno completamente abierto con una superficie lisa, p.ej.,

pistas de hormign en los aeropuertos, csped cortado, etc.

1 0,03 52 rea agrcola abierta sin cercados ni setos y con edificios muydispersos. Slo colinas suavemente redondeadas

1,5 0,055 45 Terreno agrcola con algunas casas y setos resguardantes de 8

metros de altura con una distancia aproximada de 1250 m.

2 0,1 39 Terreno agrcola con algunas casas y setos resguardantes de 8metros de altura con una distancia aproximada de 500 m.

2,5 0,2 31 Terreno agrcola con muchas casas, arbustos y plantas, o setosresguardantes de 8 metros de altura con una distanciaaproximada de 250 m.

3 0,4 24 Pueblos, ciudades pequeas, terreno agrcola, con muchos oaltos setos resguardantes, bosques y terreno accidentado y muydesigual

3,5 0,8 18 Ciudades ms grandes con edificios altos

4 1,6 13 Ciudades muy grandes con edificios altos y rascacielos

Definiciones de acuerdo con el Atlas Elico Europeo, WAsP.

ugosidad: perfil vertical del viento


56/76

0

0

ln/

ref

ref

z zv vz z=

La velocidad del viento a una cierta altura sobre el nivel delsuelo (perfil vertical del viento) es:

, donde

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 z ref .

z = altura sobre el nivel del suelo para la velocidad deseada, v.

z 0 = longitud de rugosidad en la direccin de viento actual.

ugosidad: perfil vertical del viento

El hecho de que el perfil del viento se mueva hacia velocidades ms bajas conforme nos acercamos al nivel del suelosuele llamarse cizallamiento del viento. El cizallamiento del viento tambin puede ser importante en el diseo deaerogeneradores. Considerando un aerogenerador con una altura del buje de 40 metros y con un dimetro del rotor de 40metros se observa (para el caso de la grfica) que el viento sopla a 9,3 m/s cuando el extremo de la pala se encuentra en su

posicin ms elevada, y slo a 7,7 m/s cuando dicho extremo se encuentra en la posicin inferior. Esto significa que lasfuerzas que actan sobre la pala del rotor cuando est en su posicin ms alta son mucho mayores que cuando est en su

posicin ms baja.

La figura muestra como vara la velocidad del viento para unarugosidad de clase 2 (suelo agrcola con algunas casas y setos de

proteccin a intervalos de unos 500 metros, lo que da una longitudde rugosidad de 0.1 m), considerando que el viento sopla a unavelocidad de 10 m/s a 100 metros de altura.


57/76

Abrigo del viento


58/76

Abrigo del viento

Este grfico proporciona una estimacin(obtenida de una simulacin por ordenador)de cmo disminuye el viento tras un obstculoromo, es decir, un obstculo que no esaerodinmico y de porosidad nula. En estecaso se ha tomado un edificio de oficinas de 7

plantas, de 20 metros de alto y 60 de ancho,situado a una distancia de 300 metros de unaerogenerador con una altura de buje de 50 m.El abrigo del viento puede verse literalmenteen diferentes tonos de gris. Los nmeros en

azul indican la velocidad del viento en tanto por ciento de la velocidad del viento sin elobstculo.

En la parte superior de la torre delaerogenerador amarillo la velocidad del vientoha disminuido en un 3% (hasta el 97 %) de lavelocidad del viento sin el obstculo. Observe

que esto representa una prdida de energa delviento (con su dependencia cbica de lavelocidad) de alrededor del 10%.

pantallamientos en el parque elico


59/76

Efecto de la estela

Dado que un aerogenerador produce energa a partir de la energa del viento, el viento queabandona la turbina debe tener un contenido energtico menor que el que llega a laturbina (recurdense los fundamentos de la Ley de Betz). Un aerogenerador siempre va a

crear un abrigo en la direccin a favor del viento. De hecho, habr una estela tras laturbina, es decir, una larga cola de viento bastante turbulenta y ralentizada, si se comparacon el viento que llega a la turbina (la expresin estela proviene, obviamente, de la estelaque deja un barco tras de si). Realmente puede verse la estela tras un aerogenerador si sele aade humo al aire que va a pasar a travs de la turbina, tal y como se ha hecho en laimagen (esta turbina en particular fue diseada para girar en sentido contrario al de lasagujas del reloj, algo inusual en los aerogeneradores modernos).

En los parques elicos, para evitar una turbulencia excesiva corriente abajo alrededor de las turbinas, cada una de ellas suele estar separada

del resto una distancia mnima equivalente a tres dimetros del rotor. En las direcciones de viento dominante esta separacin es inclusomayor, tal y como se explica en la pgina siguiente.

Efecto del parque

Como cada aerogenerador ralentiza el viento tras de s al obtener energa de l para convertirlaen electricidad, lo ideal sera poder separar las turbinas lo mximo posible en la direccin deviento dominante. Pero por otra parte, el coste del terreno y de la conexin de losaerogeneradores a la red elctrica aconseja instalar las turbinas ms cerca unas de otras.

Como norma general, la separacin entre aerogeneradores en un parque elico es de 5 a 9dimetros de rotor en la direccin de los vientos dominantes (7 en el esquema de la derecha), yde 3 a 5 dimetros de rotor en la direccin perpendicular a los vientos dominantes (4 en elesquema).

Conociendo la altura y el rotor de la turbina elica, la rosa de los vientos, la distribucin deWeibull y la rugosidad en las diferentes direcciones, los proyectistas de energa elica puedencalcular la prdida de energa debida al apantallamiento entre aerogeneradores. La prdida de

energa tpica es de alrededor del 5 por ciento.

pantallamientos en el parque elico

Efectos aceleradores: efectos tnel yli


60/76

colinaA continuacin veremos como obtener ventaja de la orografa del terreno a travs de dos efectos (a vecesllamados aceleradores): el efecto tnel y el efecto colina.

Efecto tnelSi tomas un camino entre dos edificios altos o en un paso estrechoentre montaas observars que se da el mismo efecto: el aire secomprime en la parte de los edificios o de la montaa que estexpuesta al viento, y su velocidad crece considerablemente entre losobstculos del viento. Esto es lo que se conoce como efecto tnel,consecuencia de la ley de conservacin de la masa (ecuacin 1 en la

diapositiva de la ley de Betz). As pues, incluso si la velocidadnormal del viento en un terreno abierto puede ser de, digamos, 6metros por segundo, en un "tnel" natural puede fcilmente alcanzarlos 9 metros por segundo.

Situar un aerogenerador en un tnel de este tipo es una formainteligente de obtener velocidades del viento superiores a las de lasreas colindantes. Para obtener un buen efecto tnel, ste debe

estar"suavemente" enclavado en el paisaje. En el caso de que lascolinas sean muy accidentadas, puede haber muchas turbulencias enese rea, es decir, el viento soplar en muchas direcciones diferentes(y con cambios muy rpidos). Si hay muchas turbulencias, la ventajaque supone la mayor velocidad del viento se ver completamenteanulada, y los cambios en el viento pueden causar roturas ydesgastes innecesarios en el aerogenerador.


61/76

Condiciones elicasSeleccin del emplazamiento


62/76

Condiciones elicas

Normalmente, el slo hecho de observar la naturaleza resulta de excelente ayuda a la hora deencontrar un emplazamiento apropiado para el aerogenerador. Los rboles y matorrales de lazona sern una buena pista para saber cual es la direccin de viento dominante , como puedeverse en la fotografa de la derecha. Si nos movemos a lo largo de un litoral accidentado,observaremos que siglos de erosin han trabajado en una direccin en particular. Los datos

meteorolgicos, obtenidos en forma de rosa de los vientos durante un plazo de 30 aos, seanprobablemente su mejor gua, aunque rara vez estos datos son recogidos directamente en suemplazamiento, por lo que hay que ser muy prudente al utilizarlos, tal y como se ver en la

prxima seccin. Si ya existen aerogeneradores en ese rea, sus resultados de produccin sonuna excelente gua de las condiciones de viento locales. En pases como Dinamarca yAlemania, en los que a menudo se encuentra un gran nmero de aerogeneradores dispersos

por el campo, los fabricantes pueden ofrecer resultados de produccin garantizados basndoseen clculos elicos realizados en el emplazamiento.

Conexin a la red

Obviamente, los grandes aerogeneradores tienen que ser conectados a la red elctrica. Paralos proyectos de menores dimensiones es fundamental que haya una lnea de alta tensin de10 - 30 kV relativamente cerca para que los costes de cableado no sean prohibitivamentealtos. Los generadores de las grandes turbinas elicas modernas generalmente producen la

electricidad a 690 V. Un transformador colocado cerca de la turbina o dentro de la torre dela turbina convierte la electricidad en alta tensin (normalmente hasta 10 - 30 kV). La redelctrica prxima a los aerogeneradores deber ser capaz de recibir la electricidad

proveniente de la turbina. Si ya hay muchas turbinas conectadas a la red, la red puedenecesitar refuerzo, es decir, un cable ms grande, conectado quizs ms cerca de unaestacin de transformacin de ms alto voltaje.

Condiciones del suelo

De lo que hemos aprendido en las pginas anteriores, nos gustara tener una vista lo ms amplia posible en la direccin de viento dominante, ascomo los mnimos obstculos y una rugosidad lo ms baja posible en dicha direccin. Si puede encontrar una colina redondeada para situar lasturbinas, es posible incluso que consiga adems un efecto acelerador.

La viabilidad tanto de realizar las cimentaciones de las turbinas (la foto de arriba es muy significativa) como de construir carreteras que permitanla llegada de camiones pesados hasta el emplazamiento deben tenerse en cuenta en cualquier proyecto de aerogenerador.

Condiciones elicas marinas (parques off-shore)


63/76

Las superficies de mares y lagos son obviamente muy lisas, por lo que larugosidad de la superficie marina es muy baja (a velocidades del viento constantes).Con velocidades de viento crecientes, parte de la energa se emplea en produciroleaje, lo que implica un aumento de la rugosidad. Una vez se han formado lasolas, la rugosidad decrece de nuevo. Por tanto tenemos una superficie de rugosidadvariable (lo mismo ocurre en zonas cubiertas con ms o menos nieve). Sinembargo, si generalizamos, puede considerarse que la rugosidad de la superficie delagua es muy baja y que los obstculos del viento son pocos. Al realizar los clculosdebern tenerse en cuenta islas, faros, etc. tal y como se tendran en cuenta losobstculossituados en la direccin de donde viene el viento o los cambios derugosidad en la tierra.

Bajo cizallamiento del viento implica menor altura de bujeCon una baja rugosidad, el cizallamiento del viento en el mar es tambin muy

bajo, lo que implica que la velocidad del viento no experimenta grandes cambios alvariar la altura del buje del aerogenerador. As pues, puede resultar ms econmicoutilizar torres ms bien bajas, de alrededor de 0,75 veces el dimetro del rotor, enaerogeneradores emplazados en el mar, dependiendo de las condiciones locales(normalmente, las torres de los aerogeneradores situados en tierra miden undimetro de rotor, o incluso ms).

Baja intensidad de las turbulencias = mayor tiempo de vida de losaerogeneradores

El viento en el mar es generalmente menos turbulento que en tierra, por lo que enun aerogenerador situado en el mar se puede esperar un tiempo de vida mayor queen otro situado en tierra. La baja turbulencia del mar se debe, ante todo, al hecho deque las diferencias de temperatura a diferentes altitudes de la atmsfera que haysobre el mar son inferiores a las que hay sobre la tierra. La radiacin solar puede

penetrar varios metros bajo el mar mientras que en tierra la radiacin solar slocalienta la capa superior del suelo, que llega a estar mucho ms caliente.Consecuentemente, las diferencias de temperatura entre la superficie y el aire sernmenores sobre el mar que sobre la tierra. Esto es lo que provoca que la turbulencia

sea menor.

4 Situacin actual de4 Situacin actual de


64/76

4. Situacin actual de4. Situacin actual dela energa elicala energa elica**

Evolucin anual de la potencia elica instalada en Espaa

* a Enero de 2006


65/76

energa elica dentro de las energas renovables

FAA0708 Tema09 Energia Eolica

Documents

Transcript of FAA0708 Tema09 Energia Eolica