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Energia Eolica I

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La fuente de energía eólica es una de las energías alternativas con más futuro, para el consumo de energía eléctrica a alta escala. Aquí presentamos la primera parte de los conocimientos ...

La fuente de energía eólica es una de las energías alternativas con más futuro, para el consumo de energía eléctrica a alta escala. Aquí presentamos la primera parte de los conocimientos básicos referidos a dicha fuente de energía

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    Energia Eolica I Energia Eolica I Presentation Transcript

    • ENERGÍAS ALTERNATIVAS Energía eólica I, por Fco Villafranca Gracia
    • Energía eólica
      • Parte I
        • Recursos eólicos
        • Emplazamiento
        • Energía producida
      • Parte II
        • ¿Cómo funciona?
        • Generadores
      SUMARIO IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • Energía eólica
      • Parte I
        • Recursos eólicos
        • Emplazamiento
        • Energía producida
      SUMARIO IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • Energía eólica
      • Recursos eólicos
      IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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. 1 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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.
      Recursos eólicos. 2 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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.
      Recursos eólicos. 3 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • Energía eólica
      • La energía en el viento. 2
        • 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.
      Recursos eólicos. 4 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • Energía eólica
      • La energía en el viento. 3
        • 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.
      Recursos eólicos. 5 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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.
      Recursos eólicos. 6 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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.
      Recursos eólicos. 7 3 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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.
      Recursos eólicos. 8 3 2 2 3 3 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • Energía eólica
      • La velocidad y la potencia. 3
        • Potencia de la fórmula del viento P = 1/2 p v π r en 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.
      Recursos eólicos. 9 3 2 2 3 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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
      Recursos eólicos. 10 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • Energía eólica
      • Emplazamiento
      IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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. 1 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • Energía eólica
      • Ubicación de las centrales eólicas. 2
      • Efecto colina Dónde es más fuerte el viento, ¿en la cima de la colina o al lado de ella?
      Emplazamiento. 2 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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. 3 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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. 4 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • Energía eólica
      • Mapa eólico de Europa
      Emplazamiento. 5 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009 Terreno accidentado Plano abierto En la costa Mar abierto Colinas y crestas
    • Energía eólica
      • Mapa eólico de España. 1
      Emplazamiento. 6 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
      • Distribución
      • Depende de la disponibilidad del combustible
      • Vientos intensos constantes y regulares a lo largo del año.
      • Zonas
      • Costa gallega del N y Tarifa
      • Sistema Ibérico
      • Otras
      • Islas 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. 7 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
      • Distribución
      • Depende de la disponibilidad del combustible
      • Vientos intensos constantes y regulares a lo largo del año.
      • Zonas
      • Costa gallega del N y Tarifa
      • Sistema Ibérico
      • Otras
      • Islas canarias
      • ..
      Potencia eólica instalada por Comunidades Autónomas en 2000
    • Energía eólica
      • Potencia instalada en Europa, 2006
      Emplazamiento. 8 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009   PAIS MW   PAIS MW 1 ALEMANIA 17.743 14 CANADA 590 2 ESPAÑA 9.653 15 AUSTRALIA 572 3 ESTADOS UNIDOS 8.500 16 SUECIA 492 4 INDIA 4.300 17 GRECIA 466 5 DINAMARCA 3.129 18 IRLANDA 441 6 ITALIA 1.570 19 NORUEGA 270 7 REINO UNIDO 1.337 20 NUEVA ZELANDA 260 8 HOLANDA 1.219 21 EGIPTO 145 9 PORTUGAL 944 22 BÉLGICA 120 10 JAPON 942 23 FINLANDIA 100 11 AUSTRIA 799 24 MARRUECOS 64 12 CHINA 765 25 POLONIA 58 13 FRANCIA 632 26    
    • Energía eólica
      • Potencia instalada en España, 2006
      Emplazamiento. 9 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009     kW INSTALADOS 1 GALICIA 2.452.480 2 CASTILLA LA MANCHA 2.008.880 3 CASTILLA LEÓN 1.690.310 4 C. ARAGÓN 1.346.460 5 NAVARRA 966.530 6 ANDALUCÍA 545.000 7 LA RIOJA 408.620 8 ASTURIAS 162.350 9 CANARIAS 146.620 10 PAÍS VASCO 144.870 11 CATALUÑA 144.140 12 MURCIA 54.970 13 C. VALENCIANA 20.490 14 BALEARES 3.200 15 CANTABRIA 0 16 EXTREMADURA 0 17 MADRID 0         SUMA TOTAL 10.094.920
    • Energía eólica
      • Energía producida
      IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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. 1 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009 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 producida. 2 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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 producida. 3 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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.
      Energía producida. 4 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
      • 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.
      • En el caso extremo V1=V2, no extraigo nada por lo cual la potencia tambíen sería cero.
      • 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
      Energía producida. 5 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009 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 producida. 6 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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 producida. 7 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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 producida. 8 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • 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 producida. 9 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • Energía eólica
      • Función de la densidad del viento. 6
        • Energía anual disponible
          • Aerogenerador 600 KW
          • parámetros 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 producida. 10 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009
    • Energía eólica
      • FIN DE LA PARTE I
      Energía producida. 10 IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009