Master en EnergíasRenovablesMódulo Energía Eólica 2011.José Manuel Almendros Ulibarri                                     ...
Módulo 1 – Entorno Energético (II)                                                             Módulo Energía Eólica TEMA ...
Aerogeneradores.                                            Módulo 1 – Entorno Energético (II)                            ...
Aerogeneradores.                                        Módulo 1 – Entorno Energético (II)                                ...
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Entrada en pérdidas(“stall”)                           .U                       .A                      M                 ...
Aerogeneradores.2.3.1) Sistemas de regulación y control. Sistemas de control Módulo 1 – Entorno Energético (II)           ...
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Aerogeneradores.1) Generadores eléctricos.                          Módulo 1 – Entorno Energético (II)                    ...
Aerogeneradores.1) Generadores eléctricos.                                    Módulo 1 – Entorno Energético (II)          ...
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Proyectos de energía eólica.                                Módulo 1 – Entorno Energético (II)                            ...
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DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LAS INSTALACIONESOROGRAFÍA (TERRENO SUAVE, OROGRAFÍA COMPLEJA O OFF-               Terreno suave, 1...
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  1. 1. Master en EnergíasRenovablesMódulo Energía Eólica 2011.José Manuel Almendros Ulibarri .U .A Dpto. Ciencias Ambientales y Recursos Naturales. M FACULTAD DE FARMACIA. Campus de Montepríncipe J.
  2. 2. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica TEMA 51) Generadores eléctricos.2) Sistemas de regulación de velocidad y de control de potencia 2.1) Necesidad 2.2) Funcionamiento básico 2.3) Clasificación 2.3.1) Control de potencia (ángulo de paso) 2.3.2) Regulación de velocidad (par en el eje de generador eléctrico) 2.3.3) Comparativa3) Control automático de la generación .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  3. 3. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía EólicaSistemas de regulación y control. Objetivos. 1) Describir los tipos de generadores eléctricos utilizados en aerogeneradores. 2) Conocer el funcionamiento básico de un aerogenerador en las diferentes situaciones en las que puede operar, sometido a la variabilidad del recurso eólico. 3) Describir los diferentes sistemas de regulación de velocidad y de control de potencia de los aerogeneradores comerciales actuales. 4) Comparar las principales características, ventajas e inconvenientes, de cada una de las configuraciones descritas. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  4. 4. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2) Sistemas de regulación y control. • Funcionamiento seguro y fiable • Monitorización de componentes y variables • Comprobar variables en rango admisible • Detección y predicción de fallos ¿Cómo? A través de las señales de control Ajustando los valores de referencia Cambiando el estado de funcionamiento Regulación pasiva: diseñar el sistema para que la propia dinámica del sistema haga innecesario sistemas de control adicionales. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  5. 5. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2) Sistemas de regulación y control. Los sistemas de regulación y control de un aerogenerador juegan un papel esencial a la hora de garantizar el correcto funcionamiento de un parque eólico. -el control de la velocidad del rotor para maximizar la producción de energía y para garantizar la seguridad de la propia máquina; -la reducción de cargas mecánicas en el rotor y en el sistema de transmisión, que podrían reducir la vida útil de estos elementos; -la minimización del ruido aerodinámico provocado por el rotor y -la eliminación, en lo posible, de las oscilaciones en la potencia eléctrica vertida a la red, así como en la tensión y en la frecuencia de ésta. -El sistema de control de un aero también se encarga de la supervisión del buen estado de los diferentes elementos de la máquina y de la prevención de posibles averías en ellos. Existe una gran variedad de soluciones para implementar los sistemas de regulación y control en aerogeneradores comerciales. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  6. 6. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.1) Sistemas de regulación y control. Necesidad. Los sistemas de regulación y control aseguran que la turbina funciona correctamente en cada una de las condiciones de funcionamiento. En cada una de ellas, existen requisitos diferentes que se deben cumplir, para garantizar el funcionamiento óptimo. -A bajas velocidades, prima la minimización de esfuerzos en los sistemas mecánicos y la ejecución eficaz y segura de la maniobra de conexión, -a carga parcial el aprovechamiento máximo del recurso eólico, -a plena carga, la seguridad frente a vientos fuertes y el aprovechamiento de la máxima potencia del aero. -en situaciones especiales, la ejecución segura de las maniobras de desconexión es el principal objetivo. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  7. 7. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.1) Sistemas de regulación y control. Necesidad. Los sistemas de regulación y control aseguran que la turbina funciona correctamente en cada una de las situaciones anteriores. En particular, los sistemas de regulación de la velocidad de giro del rotor y los de control de potencia. Los de regulación de la velocidad de giro del rotor son los encargados de gestionar la velocidad de giro del rotor, de tal manera que el aprovechamiento energético del recurso eólico sea satisfactorio. Además, tienen una importancia notable en la reducción del ruido aerodinámico, y en la minimización de la transmisión de esfuerzos al tren de potencia. Los de control de potencia modifican la respuesta aerodinámica del rotor para conseguir mantener las condiciones de seguridad en todo momento. Además, también tienen cierta influencia en la producción energética y en la calidad de los parámetros eléctricos de la energía vertida a la red. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  8. 8. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Sistemas de regulación y control. Funcionamiento básico Aerogenerador parado. El viento no sopla con Plena suficiente velocidad. Aero parado y anclado. 2500 Carga Conexión del aerogenerador. Controlador detecta 2000 velocidad suficiente. Aero perpendicular al viento. Potencia (kW ) 1500 Funcionamiento a carga parcial. Potencia del aero Carga aumenta con velocidad. Objetivo maximizar la 1000 captación de la energía mecánica del viento. Parcial 500 Funcionamiento a plena carga. Aero alcanzará la 0 máxima potencia. Objetivo mantener la seguridad 0 5 10 15 20 25 del equipo sin reducir la potencia suministrada. Conexión Desconexión Velocidad (m/s) Desconexión del aerogenerador. Para vientos demasiado intensos. No es posible mantener la producción de energía en la máquina. Secuencia de comandos de parada. También la velocidad desciende por debajo del mínimo aprovechable .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  9. 9. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Sistemas de regulación y control. Funcionamiento básico Inicio “S tart” C om probación inicial del P arada D esconexión aero generador “S top” em ergencia P arada de funcionam iento M odo pausa “S tand S till” L eyen d a: E n espera de E stado de operación viento suficiente perm anente R einiciación E stado de operación transitorio P roceso conexión a la red eléctrica Funcionam iento tras fallo P roducción a carga Funcionam iento parcial norm al P roducción a plena .U carga .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  10. 10. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Sistemas de regulación y control. Funcionamiento básico Estado de pausa • Rotor bloquedo y frenos activados. • Palas en posición bandera / aerofrenos activados. • Generador desconectado. • La góndola puede girar para desenrollar los cables u orientarse. • Si se cumplen las condiciones necesarias para producir, pasa al siguiente estado. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  11. 11. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Sistemas de regulación y control. Funcionamiento básico En espera de viento suficiente • Las palas comienzan a moverse por acción del viento. • Durante el arranque, el paso de las palas varía para aumentar el par de giro. • Todos los componentes están listos para producir energía. • Al igual que en el resto de estados, las condiciones de fallo y emergencia se monitorizan. • La velocidad del rotor está dentro del margen para la conexión, gracias al control de paso de palas. • Si se alcanza una velocidad mínima, se procede a la conexión a la red eléctrica. • Si la espera es muy larga, se vuelve a comprobar el AE. • Orientación automática del AE. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  12. 12. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Sistemas de regulación y control. Funcionamiento básico Conexión del generador • Cuando la velocidad de viento es suficiente. • Velocidad de giro del rotor adecuada, controlada por el paso de pala. • Comprobación adicional del convertidor electrónico. • Cuando la velocidad alcanza el óptimo, se produce la conexión y el generador empieza a producir energía. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  13. 13. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Sistemas de regulación y control. Funcionamiento básico Funcionamiento a carga parcial • El generador vierte energía a la red. • Paso de pala óptimo. • La potencia a generar se calcula en función de la velocidad de giro del rotor. • La velocidad y la potencia se regula a través del convertidor electrónico según la curva característica potencia/velocidad. • Orientación automática. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  14. 14. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Sistemas de regulación y control. Funcionamiento básico Funcionamiento a plena carga • Cuando la velocidad de viento es elevada • Velocidad de giro nominal +/- margen de fluctuación. • Potencia generada = nominal +/- margen de fluctuación • Control principal (lento pero muy efectivo para limitar potencia turbina): paso de palas. • Control secundario: convertidor de frecuencia (rápido gracias a la electrónica). • Posibles sobrecargas de pequeña duración. • Rachas de viento. • Si se reduce el viento, paso a carga parcial. • Gestión de fallos y emergencias, como en el resto de estados. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  15. 15. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Sistemas de regulación y control. Funcionamiento básico Desconexión a modo pausa • “Desconexión suave” del generador desde cualquier estado. • Se reduce gradualmente la velocidad de giro • Palas van girando hasta posición bandera • Después de una pausa, el sistema evoluciona al estado espera. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  16. 16. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3) Sistemas de regulación y control. Clasificación.Clasificación sistemas de control de potenciaControl de la potencia suministrada por la máquina Aerogeneradores de paso fijo: en ellos, el ángulo que forma la pala con respecto a la dirección del viento incidente es constante, independientemente de la velocidad de éste y, por lo tanto, de la zona de funcionamiento dentro de la curva de potencia del aero. - Aerogeneradores de paso variable: son máquinas que tienen la capacidad de cambiar la posición de las palas, girándolas a lo largo de su eje longitudinal, modificando así el ángulo de incidencia con respecto al viento, en función de la zona de funcionamiento. Por lo tanto, a cada velocidad del viento el ángulo de calado puede ser diferente, maximizando la eficiencia aerodinámica del rotor. Dentro de éstos, existen máquinas que además pueden cambiar el ángulo de calado (o de “pitch”, estos aeros se denominan en inglés “pitch controlled”) de manera independiente para cada pala, lo que proporciona la mayor eficacia en el control aerodinámico. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  17. 17. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.1) Sistemas de regulación y control. Sistemas de control de potenciaTienen como objetivo modificar la respuesta aerodinámica del rotor para conseguir mantener lascondiciones de seguridad en todo momento, maximizar el aprovechamiento de la energía delviento y frenar aerodinámicamente el sistema en caso de avería.Funciona en la zona de plena carga del aero ya que antes la potencia es inferior a la nominal y nodebe ser limitada sino optimizada. Curva de potencia Control de paso de palas (pitch) Potencia Control por entrada Velocidad de viento nominal en pérdidas (stall) Velocidad del viento .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  18. 18. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.1) Sistemas de regulación y control. Sistemas de control de potencia La potencia entregada por la turbina se ajusta con sólo variar unos pocos grados el paso de palas 1º Potencia 2º nominal 3º 4º Velocidad de viento nominal Potencia vcut-in vnominal vcut-out Velocidad del viento .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  19. 19. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.1) Sistemas de regulación y control. Sistemas de control de potenciaPaso FijoSe utilizan mayoritariamente en sistemas de potencia media y baja. En estas máquinas, el ángulo deinclinación de la pala con respecto al viento no puede ser modificado. Por ello, el comportamientoaerodinámico de las palas el que debe cambiar de manera natural según la velocidad del viento,siendo menos eficiente a plena carga, para que la potencia no aumente por encima del valornominal. Esto es posible mediante el fenómeno de pérdida aerodinámica o de sustentación. Ventajas: Desventajas: -simplicidad mecánica -aprovechamiento energético menos eficiente en toda la curva de -mantenimiento menos exigente potencia. -más baratos -peor comportamiento a la exposición a cargas de viento. -maniobras de arranque y frenado de la máquina más complicadas .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  20. 20. Entrada en pérdidas(“stall”) .U .A M J.
  21. 21. Aerogeneradores.2.3.1) Sistemas de regulación y control. Sistemas de control Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica de potencia Paso Variable Las máquinas de paso variable pueden cambiar la inclinación de las palas en función de la velocidad del viento, rotándolas alrededor de su eje longitudinal, y modificando las propiedades del perfil aerodinámico frente al viento incidente. Aumentan significativamente la complejidad y el coste de las máquinas por lo que se suelen utilizar en aerogeneradores de gran tamaño. La diferencia entre utilizar sistemas de velocidad variable en lugar de sistemas de velocidad fija puede suponer un incremento de energía anual, que de forma realista no supera el 2 al 5%. Este reducido incremento de energía no supone por si solo la diferencia en coste de un sistema a otro. Sin embargo, las ventajas de un sistema de velocidad variable frente a un sistema de velocidad fija radican en la disminución de cargas, mejor calidad de energía, control de potencia reactiva, etc. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  22. 22. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.1) Sistemas de regulación y control. Sistemas de control de potencia Regulación activa por pérdida aerodinámica Las palas pueden girar alrededor de su eje longitudinal. El comportamiento a carga parcial es semejante al de regulación por paso variable. A plena carga las palas giran en la dirección contraria a la que lo haría una máquina deregulación por cambio de paso. De esta manera, se produce una mayor pérdida de sustentación, loque permite disipar el exceso de energía del viento, evitando el aumento de la potencia porencima del valor nominal. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  23. 23. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.1) Sistemas de regulación y control. Sistemas de control de potencia Otros métodos de control de potencia Existen otros métodos de control de potencia, aunque se utilizan menos frecuentemente quelos ya descritos. Así, se han fabricado aerogeneradores que incorporan alerones (flaps) en elrotor para controlar el giro, de manera semejante a como se realiza en las alas de los aviones. En aerogeneradores pequeños, el rotor se puede situar en posición desfavorable para lamáxima producción de energía, girándolo con respecto a la dirección perpendicular al viento.Este modo de regulación por desalineación tiene la desventaja de que provoca cargasvariables en los elementos mecánicos, que pueden dañar toda la estructura de la máquina enel largo plazo. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  24. 24. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía EólicaSistemas de regulación y control. Sistemas de control de potencia .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  25. 25. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.2) Sistemas de regulación y control. Sistemas de regulación de velocidad. Son los responsables de establecer el régimen de giro del rotor en función de la velocidad del viento. Funcionan en la zona de carga parcial ajustando la velocidad de giro del rotor a la óptima para conseguir la máxima potencia posible del aero que siempre será menor que la nominal. Aerogeneradores de velocidad fija: Las máquinas de velocidad fija se caracterizan por girar en régimen permanente a una velocidad prácticamente constante, independientemente de la velocidad del viento. Sistemas de velocidad variable: En aerogeneradores de velocidad variable, el rotor puede girar a diferente velocidad, adaptando el ritmo de manera proporcional a la intensidad del viento. Aerogeneradores de dos velocidades: En ellas, existe la posibilidad de fijar el ritmo de giro a dos valores diferentes, una velocidad mayor a plena carga y otra menor para vientos menos intensos. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  26. 26. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.2) Sistemas de regulación y control. Sistemas de regulación de velocidad. Curva de potencia en función de la velocidad del rotor Potencia 30 rpm Potencia 27,5 rpm nominal 25 rpm 22,5 rpm vcut-in vnominal vcut-out Velocidad del viento .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  27. 27. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.2) Sistemas de regulación y control. Sistemas de regulación de velocidad. w ·r Se define la velocidad específica en una pala de un rotor como el cociente entre la  velocidad lineal en el extremo de la pala y la velocidad del viento. vPara cada velocidad del viento v existe una velocidad de giro óptima que maximiza el coeficiente depotencia Cp y por tanto el rendimiento aerodinámico del aero Wopt = (v * λopt)/r. El sistema deregulación de la velocidad debe ajustar la velocidad de rotación de la turbina a w en la zona de cargaparcial. Una vez alcanzada la zona de funcionamiento a plena carga, como la potencia entregada por elgenerador eléctrico es constante en todo el rango de velocidades, también lo será velocidad de giro =Wnominal λopt .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  28. 28. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.2) Sistemas de regulación y control. Sistemas de regulación de velocidad. Aerogeneradores de velocidad fija:Las máquinas de velocidad fija se caracterizan por girar en régimen permanente a una velocidadprácticamente constante, independientemente de la velocidad del viento.El rotor sólo estará en la zona óptima para una determinada velocidad del viento. El resto deltiempo, Cp será menor que el valor máximo, y el aero estará produciendo menos energía que laque podría suministrar variando la velocidad.Sin embargo, la ganancia en potencia en sistemas de velocidad variable no es demasiadoimportante (2 al 5%).Ventaja: mayor simplicidad de sus sistemas eléctricos ya que no necesitan convertidor y su costees menor. Disminución de cargas, mejor calidad de energía, control de potencia reactiva.Desventaja: Producción de más ruido aerodinámico proporcional a la quinta potencia de lavelocidad de la punta de pala. No es posible reducirlo bajando la velocidad. Mult ip lica do ra G R ED .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  29. 29. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía EólicaSistemas de regulación y control. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  30. 30. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.2) Sistemas de regulación y control. Sistemas de regulación de velocidad.Aerogeneradores de velocidad variable:La velocidad específica se mantiene constante, igual al valor óptimo. Por ello, el coeficiente de potenciasiempre está cercano al valor máximo. En consecuencia, la producción de energía también lo está.Ventajas:-Mayor producción de energía a bajas velocidades.-Reducción de esfuerzos en el tren de potencia, que es posible porque el cambio de velocidad del rotorante variaciones bruscas del viento.-Suaviza el arranque del aerogenerador. Multiplicadora G RED-Mejor calidad de la potencia eléctrica generada.Desventajas:-Mayor inversión inicial-Mayor coste de mantenimiento al ser más complejos. Sin embargo, no se han observado diferenciassignificativas en disponibilidad.-El bloque convertidor de frecuencia introduce sus propias pérdidas, que contrarrestan el mayorrendimiento aerodinámico. En la práctica hay poca diferencia entre la eficiencia global con respecto ala de máquinas de dos velocidades. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  31. 31. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.2) Sistemas de regulación y control. Sistemas de regulación de velocidad.Aerogeneradores de velocidad variable: Esquema de un AE de paso y velocidad variables. (Figura tomada de “Principios de conversión de la .U Energía Eólica”. CIEMAT, 1997). .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  32. 32. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.2) Sistemas de regulación y control. Sistemas de regulación de velocidad.Aerogeneradores de dos velocidades.La velocidad específica está más próxima al valor óptimo que con velocidad fija, lo que setraduce en un mayor coeficiente de potencia y, consecuentemente, en una mayor produccióneléctrica. En aerogeneradores de paso fijo, la ganancia en potencia es muy escasa (2-5%).Ventaja: No es necesaria etapa de conversión de frecuencia intermedia.Desventaja: Durante la conexión de los generadores, en el cambio de velocidad, existenmomentos en los que no hay producción de electricidad, lo que disminuye en parte la posibleganancia energética. G1 Multiplicadora RED G2 .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  33. 33. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.3) Sistemas de regulación y control.Comparativa Ventajas Inconvenientes -Simplicidad - Peor rendimiento Paso Fijo -Bajo coste - Palas pesadas - Complejidad Paso Variable - Mayor rendimiento - Coste - Mantenimiento - Sistemas eléctricos más simples - Fiabilidad - Más ruido Velocidad Fija - Baja probabilidad de excitar frecuencias propias - Menor rendimiento - No necesita convertidor de frecuencia - Bajo coste - Reducción de esfuerzos - Menos ruido - Complejidad Velocidad Variable - Mayor calidad y estabilidad de la potencia - Coste - Arranque más suave - Mayor rendimiento .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  34. 34. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3.3) Sistemas de regulación y control. Sistemas de regulación de velocidad.Comparativa .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  35. 35. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica1) Generadores eléctricos. La energía mecánica del movimiento del rotor se transforma en energía eléctrica. Espira conductora girando en el seno de un campo magnético, B, con velocidad angular w. N S flujo magnético en la espira  B  B S cos   B S cos wt d de acuerdo con la ley de Faraday    B  B S sen t dtLa expresión anterior muestra que la fem inducida es senoidal, con pulsación igual a la delmovimiento de rotación que la origina y con amplitud proporcional a la propia pulsación, w, y alflujo magnético máximo, B·S. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  36. 36. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica1) Generadores eléctricos.Generadores síncronos Los generadores utilizados en las turbinas eólicas son trifásicos, dado que la conexión a la red eléctrica española ha de ser trifásica (salvo para centrales productoras de electricidad de poca potencia). Un generador síncrono trifásico consta de 3 devanados iguales en el estator, situados de manera simétrica, formando un ángulo de 120º entre sí. En cada N vuelta del rotor, los polos norte y sur pasan por los tres devanados, induciendo AC una tensión alterna en todos ellos. Estator Rotor S La frecuencia de la fem inducida coincide con la de giro del rotor, por lo que es igual en los tres devanados. Sin embargo, existe un desfase de 120º entre las fases, como corresponde a la tensión alterna trifásica, debido a la disposición de los devanados alrededor del rotor. El campo magnético variable es generado por un electroimán que gira (rotor), y el inducido es un devanado sobre el que se extrae la corriente alterna (hacia la red eléctrica o el convertidor de frecuencia en el caso de un aerogenerador). .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  37. 37. Aerogeneradores.1) Generadores eléctricos. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía EólicaGeneradores síncronos ¿Y si ponemos el Aumentar el número de doble de polos?polos tiene el mismo efectosobre la frecuencia queincrementar la velocidad degiro. Hace posible reducir lavelocidad de giro del rotormanteniendo la frecuenta de lafem generada, sin más queañadir más polos al generador. La mayoría de las turbinaseólicas incorporan generadoresde 2 ó 3 pares de polos. Por lotanto, la velocidad de giro deleje rápido será de 1.000 ó 1.500rpm. Ésta es la razón de lanecesidad de utilizar la cajamultiplicadora, dado que elrotor gira a menos de 50 rpm. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  38. 38. Aerogeneradores.1) Generadores eléctricos. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía EólicaGeneradores asíncronos Son los más utilizados en las turbinas eólicas actuales -los polos se sitúan en el estator. -el campo magnético producido por corriente alterna . -La fem generada se extrae mediante los terminales. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  39. 39. Aerogeneradores.1) Generadores eléctricos. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía EólicaGeneradores asíncronos Ventajas:En un generador asíncrono, la frecuencia del campo -Simplicidad y reducido costemagnético variable del estator y la del rotor no son Desventajas:exactamente iguales. Existe lo que se denomina ws wr -Menos eficientesdeslizamiento. s -Demandan reactiva y no pueden ofrecerla ws Cuando al rotor se le aplica un par mecánico para que gire a velocidades ligeramente por encima de la de sincronismo el generador produce una fem alterna, inyectando corriente a la red. Potencia (MW) Generador Motor .U s(%) .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  40. 40. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica1) Generadores. Eléctricos .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  41. 41. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica1) Generadores eléctricos. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  42. 42. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica3) Control automático de la generación No tiene en cuenta el estado de la red en la regulación del aerogenerador.El bucle de control de potencia activa establece:- potencia activa en función de las consignas tiene en cuentaEl bucle de control de potencia reactiva establece: el estado de la red en la- potencia reactiva en función de las consignas regulación del aerogenerador.-asegura la tensión en barras de la subestación dentro delos limites admisibles .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  43. 43. Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica3) Control automático de la generaciónbucles de control depotencia activa yreactiva se encuentrandesacoplados .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  44. 44. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía EólicaTEMA 61) Esquema de un parque eólico.2) Desarrollo de un parque eólico 2.1) Selección del emplazamiento. 2.2) Evaluación del recurso eólico (micrositing y estimación de producción) 2.3) Diseño del parque y redacción del proyecto 2.4) Estudio de impacto medioambiental y Plan de actuación. 2.5) Tramitación de los permisos administrativos. 2.6) Financiación 2.7) Construcción 2.8) Explotación3) Viabilidad técnico económica de un proyecto 3.1) Variables determinantes 3.2) Caso práctico.4) Legislación específica de la energía eólica. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  45. 45. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía EólicaOBJETIVOS DEL TEMAAgrupaciones de varias máquinas que comparten recursos. Para su implantación, se requierenimportantes inversiones, que pueden ascender a varias decenas de millones de euros.-Describir los principales conceptos relacionados con el diseño de parques eólicos.-Aspectos económicos y de negocio de las instalaciones eólicas, necesarios para evaluar de maneraprecisa la rentabilidad de las inversiones. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  46. 46. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica1) Esquema de un parque eólico. Red eléctrica Evacuación en alta Alta tensión Subestación Trafo Alta Media tensión Aeros Baja tensión Red de media tensión Trafo baja .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  47. 47. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2) Desarrollo de un parque eólico.Sucesión de operaciones que transcurren desde que un posible emplazamiento es identificadohasta el momento en que comienza la venta de la electricidad generada a la compañíaeléctrica.Periodos relativamente cortos para su implantación en comparación con las fuentesconvencionales de suministro eléctrico (5 años). Procedimiento simplificado: Selección del emplazamiento. Evaluación del recurso eólico. Diseño del parque y redacción del proyecto (micrositing y estimación de producción) Estudio de impacto medioambiental y Plan de actuación. Tramitación de los permisos administrativos. Financiación Construcción Explotación .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  48. 48. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía EólicaDesarrollo de un parque eólico. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  49. 49. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía EólicaDesarrollo de un parque eólico. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  50. 50. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.1) Desarrollo de un parque eólico. Selección del emplazamiento.Identificación El emplazamiento debe cumplir: -Está libre (no está en fase de desarrollo por parte de otro promotor) -Presencia de un régimen de vientos favorable a priori. -Ausencia de protección o incompatibilidad ambiental. -Ausencia de protección o incompatibilidad urbanística. -Ausencia de restricciones importantes en cuanto obra civil, tales como dificultad en la habilitación de acceso o de ejecución de las propias obras. -Ausencia de restricciones importantes en cuanto a infraestructura eléctrica. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  51. 51. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.1) Desarrollo de un parque eólico. Selección del emplazamiento.Fase de Medición.Esta información es la base del desarrollo de todo el proyecto posterior en cuanto a: -Dimensiones del emplazamiento. -Número de máquinas susceptibles de ser instaladas. -Tipo de máquinas. -Alturas de torre.Además, será la base del estudio de viabilidad posterior de una inversión de varios millones deeuros, donde una variación pequeña en la velocidad del viento en el emplazamiento tiene un efectoenorme en los resultados de producción y por lo tanto sobre las ventas de energía y rentabilidad delemplazamiento. --- Se necesita un estudio riguroso.La campaña ha de durar al menos 1 año. Además, es importante realizar también una campaña demedidas a largo plazo, durante por lo menos 15 años. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  52. 52. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.1) Desarrollo de un parque eólico. Selección del emplazamiento.Acuerdos con corporaciones locales y propietarios.Necesidad de contar con la disponibilidad de los Bienes y Derechos Afectados por el parque eólico.Actuaciones llevadas a cabo: Establecer las ubicaciones afectadas por: Aerogeneradores. Plataformas de montaje. Vuelo. Presentación en ayuntamientos afectados. Comprobación de sensibilidad y situación urbanística. Identificación de propietarios. Casuística diferenciada. Privados. Públicos: Ayuntamientos, CCAA. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  53. 53. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.1) Desarrollo de un parque eólico. Selección del emplazamiento.Acuerdos con corporaciones locales y propietarios. Propietarios privados: .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  54. 54. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.1) Desarrollo de un parque eólico. Selección del emplazamiento.Acuerdos con corporaciones locales y propietarios. Corporaciones locales: a) Titularidad Municipal: b) Titularidad de CCAA .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  55. 55. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Desarrollo de un parque eólico. Evaluación del recurso eólico.WAsP es una aplicación informática para PCs que permite evaluar el recurso eólico en undeterminado emplazamiento a partir de medidas de viento de estaciones meteorológicas cercanas.Con los resultados de la simulación, el programa puede generar mapas de viento de la zona enestudio. Además, incluye un sofisticado modelo teórico para simular el efecto del rozamiento con elsuelo a través del coeficiente de rugosidad y también la influencia de los obstáculos en el vientodisponible en las máquinas.A partir de la evaluación del recurso, se está en condiciones de definir la instalación en términos denúmero y posiciones de las turbinas, tipo de turbinas y alturas de buje más adecuadas. Además, sepodrá tener una estimación de producción de cada una de ellas. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  56. 56. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Desarrollo de un parque eólico. Evaluación del recurso eólico. A partir de la evaluación del recurso, se está en condiciones de definir la instalación en términos de número y posiciones de las turbinas, tipo de turbinas y alturas de buje más adecuadas. Además, se podrá tener una estimación de producción de cada una de ellas. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  57. 57. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Desarrollo de un parque eólico. Evaluación del recurso eólico.Tipo de turbinas. DiámetroDesde un punto de vista de aprovechamiento energético la mejor opción es aumentar el diámetro,pero en cuanto a coste y diseño estructural puede no ser la mejor decisión. La elección del diámetroóptimo de una turbina, conocida la potencia asignada y las características del emplazamiento, debeser tal que la turbina produzca la máxima energía por unidad de área barrida y con el mayor factorde capacidad. Energía Anual FC  (kWh / kW ) Potencia Aero FC (( kWh / kW ) FC (%)  ·100 8.760 .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  58. 58. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Desarrollo de un parque eólico. Evaluación del recurso eólico.Tipo de turbinas.Operación a velocidad variableLa diferencia entre utilizar sistemas de velocidad variable en lugar de sistemas de velocidad fijapuede suponer un incremento de energía anual, que de forma realista reo supera el 2 al 5%. Estereducido incremento de energía no supone por si solo la diferencia en coste de un sistema a otro.Sin embargo, las ventajas de un sistema de velocidad variable frente a un sistema de velocidad fijaradican en la disminución de cargas, mejor calidad de energía, control de potencia reactiva, etc. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  59. 59. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Desarrollo de un parque eólico. Evaluación del recurso eólico.Tipo de turbinas. Altura del bujeLa velocidad del viento crece con la altura. Por esta razón es interesante poder disponer dediferentes alturas de torre para un modelo de aerogenerador dado. Evidentemente, la posibilidadde utilizar alturas de torre mayores conlleva un aumento en el coste unitario del aerogenerador,por lo que es necesario estudiar en cada caso, si el posible incremento en la producción anual deenergía compensa el sobrecoste asociado a la mayor altura de torre. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  60. 60. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Desarrollo de un parque eólico. Evaluación del recurso eólico.Disposición turbinasEstá relacionado con el tipo de terreno. En llano los costes de instalación son menores y, si elrégimen de vientos lo permite, se podrán instalar grandes turbinas optimizando el aprovechamientodel terreno. Estas se deben colocar en hileras perpendiculares a la dirección de vientos dominantes. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  61. 61. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Desarrollo de un parque eólico. Evaluación del recurso eólico.Disposición turbinas .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  62. 62. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Desarrollo de un parque eólico. Evaluación del recurso eólico.Disposición turbinasEs indispensable mantener una distancia mínima, para que la estela de cada aerogenerador no tengauna influencia apreciable en aquellos que estén situados detrás, preservando así tanto lascondiciones de seguridad como de máxima producción de energía.El efecto de las estelas es bastante más importante en la dirección del viento dominante. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  63. 63. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.2) Desarrollo de un parque eólico. Evaluación del recurso eólico. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  64. 64. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica AQUÍ DEBERÍAMOS HACER EL ANÁLISIS DE VIABILIDAD TÉCNICO- ECONÓMICA DEL PROYECTO. SE EXPLICA POSTERIORMENTE. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  65. 65. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3) Desarrollo de un parque eólico. Diseño del parque y redacción del proyectoEsto hace posible definir las características de toda la infraestructura asociada, fundamentalmenteobra civil (accesos y cimentaciones) e infraestructura eléctrica (centros de transformación einfraestructura de media tensión del parque, subestación y línea de evacuación de energía).La ingeniería puede definirse en un primer documento de ingeniería básica (Anteproyecto oProyecto Básico), que puede ser la base de la solicitud de autorización administrativa de lainstalación, aunque ésta puede solicitarse directamente definiendo con detalle un proyecto deejecución. Ingeniería básica solicitud de autorización administrativa Ingeniería de detalle PASAMOS A VER LOS CONTENIDOS PRINCIPALES DE UN PROYECTO .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  66. 66. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3) Desarrollo de un parque eólico. Diseño del parque y redacción del proyecto.Conexión a la red. Deben obtenerse. En base a estos parámetros, la CCAA decide sobre la POSIBILIDAD DE EVACUACIÓN .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  67. 67. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3) Desarrollo de un parque eólico. Diseño del parque y redacción del proyecto.Conexión a la red.Ha de calcularse en función de la potencia instalada y de la producción estimada. Hay numerosasposibilidades que dependen de:•La distancia promedio puede considerarse 10 km.• La tensión en la que se efectúa la evacuación. En España, las posibilidades varían entre los 20 kVy los 220 kV. Esto hace que el tipo de cable, apoyos y ocupación de la línea de evacuación seandiferentes. Pero además, el nivel de tensión condiciona el tipo de transformación necesaria en elparque eólico, que puede requerir desde simples centros de transformación en los propiosaerogeneradores hasta suponer el acondicionamiento de una subestación en el parque.•La configuración de la propia línea de evacuación: aérea o soterrada.•Requisitos adicionales que puedan ser impuestos por criterios ambientales, urbanísticos u otros,que pueden afectar al trazado o configuración de la línea.•Con respecto al trazado, las líneas se disponen paralelas a los caminos de acceso a losaerogeneradores, siguiendo trayectorias tan rectilíneas como sea posible. De esta manera, se .Uminimizan las pérdidas eléctricas, que pueden ser apreciables en tendidos muy largos. .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  68. 68. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LAS INSTALACIONESOROGRAFÍA (TERRENO SUAVE, OROGRAFÍA COMPLEJA O OFF- Terreno suave, 1,071 m - 1.110 m Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía EólicaSHORE) y ALTITUD MIN./MÁX. (m)AEROGENERADOR (MARCA, MODELO, POTENCIA NOMINAL [kW]) 660 kW (paso variable, velocidad variable, rotor bobinado)NÚMERO DE AEROGENERADORES 12ALTURA DE TORRE (m) 45DISTANCIA MEDIA ENTRE AEROGENERADORES (m) 130 m (2,8 diámetros de rotor)Línea de evacuación (voltaje [kV], longitud [km] y descripción) 132 kV, 35 m, aérea, doble circuito entrada-salida, con conductor tipo LA-455 CondorLíneas internas (voltajes [kV] y longitud en cada voltaje [km]) 2 líneas de 22 kV, 2.800 m (línea 1: 1.200 m y línea 2: 1.600 m)Transformadores BT/MT (número, capacidades [kVA] y rt) 12, 750 kVA, 690/22.000 VTransformadores MT/AT (número y capacidades [kVA] y rt) 1, 9 MVA, 22.000/132.000 VPUNTO DE CONEXIÓN Y COMPAÑÍA ELÉCTRICA Conexión a la Línea aérea 132 kV Salime-Corredoria (HC)ACCESOS (descripción, longitud) El camino de acceso parte a 1,8 km de la Mesa, por la carretera que une dicha localidad con Buspol y Villar de Buspol. Comienza en la cota 1.020 y alcanza la 1.075. Longitud total: 1.600 mVIALES INTERIORES (anchura y longitud, [m]) Anchura: 3,5 m y Longitud: 1.500 mCIMENTACIONES (descripción y dimensiones) Zapata de hormigón armado tipo HA-30/B/20/H, de 10,5 m x 10,5 m x 1 m. Pedestral de hormigón armado tipo HA-30/B/20/H, de planta circular de 3,6 m de diámetro y 1,3 m de alturaPLATAFORMAS (dimensiones, [m]) 20 x 14CANALIZACIONES (descripción y longitud, [m]) 2.000 m, paralelas a la línea de aerogeneradores y contiguas al vial interiorOtros Parque de maquinaria (durante la fase de obras)POTENCIA ELÉCTRICA INSTALADA (MW) 7,92ENERGÍA BRUTA GENERADA (MWh/año) 24.655HORAS EQUIVALENTES (h/año) 2.444VELOCIDAD MEDIA (m/s) 7,50 .UDIRECCIÓN PREDOMINANTE DEL VIENTO SW-ENE .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  69. 69. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.3) Desarrollo de un parque eólico. Diseño del parque y redacción del proyecto. EL PROYECTO DE INGENIERÍA PROPIAMENTE DICHO ESTARÍA TERMINADO EN ESPERA DE POSIBLES MODIFICACIONES .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  70. 70. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.4) Desarrollo de un parque eólico. Estudio de impacto ambiental.Una vez definido el proyecto de ejecución, se está en condiciones de analizar las posiblesrepercusiones ambientales del proyecto mediante un Estudio de Impacto Ambiental. Es necesarioque el proyecto esté suficientemente maduro para poder acometer este análisis, es decir, que se sepacon precisión: -Número, tipo, altura y diámetro de rotor de las turbinas -Posiciones. -Tipo de cimentación -Definición de los accesos externos e internos y medidas de acondicionamiento de los mismos. -Configuración de la infraestructura eléctrica de media tensión. -Posición y dimensiones de subestación de transformación del parque. -Trazado y tipo de línea de evacuación. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  71. 71. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.4) Desarrollo de un parque eólico. Estudio de impacto ambiental. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  72. 72. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.4) Desarrollo de un parque eólico. Estudio de impacto ambiental. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  73. 73. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.4) Desarrollo de un parque eólico. Estudio de impacto ambiental. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
  74. 74. Proyectos de energía eólica. Módulo 1 – Entorno Energético (II) Módulo Energía Eólica2.4) Desarrollo de un parque eólico. Estudio de impacto ambiental. .U .A M Máster Energías Renovables 2008 J.
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