energía eólica Temas 3 y 4 2011

Master en Energías
Renovables
Módulo Energía Eólica.

José Manuel Almendros Ulibarri

Dpto. Ciencias Ambientales y Recursos Naturales.
FACULTAD DE FARMACIA. Campus de Montepríncipe

El Recurso eólico. Módulo 1 – Entorno Energético (II)
Módulo Energía Eólica
Objetivos.

1) Describir las características generales del viento como recurso natural en cuanto a su capacidad
de aprovechamiento energético, incluyendo los aspectos locales y temporales de esta fuente de
energía.
2) Caracterizar la disponibilidad de recursos eólicos en España.
3) Conocer los equipos de medida del recurso eólico y las técnicas de procesado de los datos
medidos.
4) Introducir las ideas fundamentales sobre la predicción del viento y la influencia de esta
disciplina en la tecnología eólica y en el sistema eléctrico en general.

Máster Energías Renovables 2008

Modelo sencillo de circulación.

El viento que sentimos es causado por dos motivos:
1) La rotación de la Tierra
2) La diferencia de temperaturas en la Tierra

El efecto combinado del desigual calentamiento de la tierra y de las fuerzas
centrífugas y de Coriolis debidas a la rotación, da lugar a vientos a escala terráquea,
con unas tendencias más o menos permanentes.


Modelo sencillo de circulación.

Vientos a escala global


Disponibilidad de viento en España.
Influencia de la latitud


Disponibilidad de viento en España.

encauzamientos
“efecto esquina”.


Comportamiento local.

noche dia

noche

dia


Variación del viento con la altura.
Por debajo del nivel del
viento geostrófico, la
influencia del rozamiento
con el suelo en la
velocidad se hace patente.
Por ello, dicha velocidad
no se mantiene constante,
a medida que nos vamos
acercando al suelo, el
viento es frenado por
efecto del rozamiento con
el mismo.
Terreno llano con hielo o hierba 0,1 - 0,12

Terreno llano (mar) 0,14

V y  y  Terreno poco accidentado 0,13 - 0,16
 
 α=
V  y0   yo
  Zonas rústicas 0,2

Terreno accidentado, bosques 0,2 - 0,26

Terreno muy accidentado y ciudades 0,25 - 0,4


Variación del viento con la altura.
 Ejemplo

Se pretende estimar el recurso eólico en un determinado emplazamiento, con la idea de construir un parque
eólico. Los aerogeneradores que probablemente se utilizarían en el parque tienen el rotor a 60 m de altura.

En la campaña de medidas, no es posible ubicar la torre meteorológica a dicha altura. Por ello, se decide
ubicarla a una altura de dos tercios.

La orografía en la zona es muy accidentada, por tratarse de terreno montañoso. Si la velocidad medida en la
torre meteorológica es de 7 m/s, ¿Cuál es la velocidad teórica del viento a la altura del rotor de los hipotéticos
aerogeneradores?

Solución
Dado que la orografía es muy accidentada, el coeficiente de rugosidad alcanzará valores entre 0,25 y 0,4,
según la tabla 3.1. La altura de la torre, y0, será de 2/3 la del rotor, que es 60 m, es decir, y0= 40 m.
Aplicando la ley de variación exponencial: Terreno llano con hielo o hierba 0,1 - 0,12
Terreno llano (mar) 0,14
Vmin 60   60 
0 , 25 0 , 25
=>  60 
  Vmin 60   7·   7,75m / s Terreno poco accidentado 0,13 - 0,16
V 40   40   40  Zonas rústicas 0,2
Vmax 60   60 
0 , 40 0 , 40
 60 
  => Vmax 60   7·   8,23m / s Terreno accidentado, bosques 0,2 - 0,26
V 40   40   40 
Terreno muy accidentado y ciudades 0,25 - 0,4

Es decir, de acuerdo con la aproximación exponencial, el viento a la altura del rotor alcanzará velocidades de entre
7,75 m/s y 8,23 m/s. Si se conociera con precisión el coeficiente de rugosidad de la zona, se podría determinar con
mayor exactitud la velocidad.


Medida de la velocidad del viento.

Los aparatos utilizados para medir el viento son el anemómetro y la veleta, siendo el
primero el que mide la velocidad y el segundo la dirección de donde sopla el viento. El
anemocinemógrafo es el aparato encargado de registrar la velocidad y la dirección del
viento.


Predicción del viento .


Procesado de la información del viento .

Existen herramientas muy útiles como la rosa de los vientos de frecuencias y de velocidades y la
distribución de velocidades a lo largo del año. Son la base para estimar la producción eléctrica
del hipotético parque eólico y, a partir de ellos, su viabilidad y, en su caso, su potencial de
rentabilidad.

Rosa de los vientos de frecuencias y de velocidades

Dirección Frecuencia Velocidad (m/s)
N 0,2 5,9
NE 0,35 12,2
E 0,1 3,9
SE 0,1 3,7
S 0,1 4
SW 0,07 6,3
W 0,05 2
NW 0,03 1


Procesado de la información del viento .

Distribución de velocidades a lo largo del año

1400

1200

1000

800
Horas

600

400

200

0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Velocidad del viento (m/s)

Distribución de Weibull


Variaciones temporales del viento .

Variaciones a L/P extracción
energía.
Variaciones a C/P fatiga mecánica
de materiales, problemas con los
sistemas de orientación y control y
oscilaciones en la potencia eléctrica
producida.


Módulo 1 – Entorno Energético (II)
En la tabla se muestran las medidas de viento de un determinado emplazamiento en estudio. Se muestran la velocidad
media anual, la altura a la que se ha medido, el coeficiente de rugosidad, la rosa de los vientos y la distribución anual de
velocidades, ambas en formato tabular.
Velocidad (m/s) Horas
Velocidad media (m/s) 6,5 1 515,1
Altura (m) 10 2 801,3
Coeficiente de rugosidad 0,3 3 958,7
4 1049,9
Dirección Frecuencia Velocidad (m/s) 5 1210,2
N 0,02 1 6 1368,9
NE 0,06 1,9 7 1029,8
E 0,07 6,2 8 659,4
SE 0,1 4,1 9 458,2
S 0,1 3,7 10 299,9
SW 0,05 3,8 11 190,1
W 0,4 12,4 12 104,9
NW 0,2 5,7 13 60,3
14 30,1
15 13,9
16 6,8
17 1,6
18 0,9

> Se pide:
> 1) Dibujar la rosa de los vientos de frecuencias. ¿Cuál es la dirección más probable para el viento?
> 2) Dibujar la rosa de los vientos de velocidades. ¿En qué dirección sopla el viento con mayor intensidad?
> 3) Representar en un gráfico de barras la distribución de velocidades del emplazamiento. ¿Cuál es la velocidad más probabl
> 4) Calcular la velocidad media anual a 50, 60 y 80 m.


> 1) La rosa de los vientos de frecuencias del emplazamiento. Es inmediato ver que la dirección más probable para
el viento es la oeste.
N
0.4
0.35

NW 0.3 NE
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
W 0 E

SW SE

S

> 2) Es inmediato ver que la dirección en que el viento sopla con mayor intensidad es también la oeste. La
velocidad media en esa dirección es de 12,4 m/s.
1600

1400

1200

1000
> 3) Distribución de velocidades del emplazamiento. La

o s
800

H ra
velocidad más probable es de 6 m/s. 600

400

200

http://www.windpower.org/es/tour/wres/index.htm 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18



> 4) Para calcular la velocidad media anual a las diferentes alturas, aplicamos la ley de variación exponencial,
teniendo en cuenta que las medidas fueron realizadas a 10 m, que la velocidad a esa altura es V(0)=6.5 m/s y que
el coeficiente de rugosidad vale 0,3:

0,3
 50 
V 50   6,5·   10,5m / s
 10 
0,3
 60 
V 60   6,5·   11,1m / s
 10 
0,3
 80 
V 80   6,5·   12,1m / s
 10 


Aerogeneradores Módulo 1 – Entorno Energético (II)
Objetivos

1) Conocer las diferentes configuraciones de aerogeneradores comerciales que existen
actualmente.
2) Describir la estructura de un generador tipo de última generación.
3) Presentar el funcionamiento básico de los diferentes elementos que conforman un
aerogenerador y del propio funcionamiento de la máquina como un complejo sistema cuyo
fin último es la producción de energía.
4) Describir los fundamentos de la captación de energía mecánica de las turbinas eólicas, su
límite de eficiencia y la producción esperada de un sistema eólico a lo largo de un año.


Aerogeneradores.
Configuraciones.

eje horizontal
eje vertical


Aerogeneradores.
Eje vertical


Aerogeneradores.
Eje vertical
Savonius

No necesitan dispositivos adicionales de arranque (el propio viento los hace girar desde
parado). Por el contrario, su velocidad de giro es menor, y también lo es el rendimiento de
conversión.


Aerogeneradores.
Eje vertical
Darrieus


Aerogeneradores.
Eje horizontal.
-se pueden ubicar a gran altura
Aerogeneradores.
-la superficie interceptada por el rotor es mayor para la misma longitud de pala
Eje vertical
-que en un aerogenerador de eje vertical.
-mayor capacidad de girar a elevadas velocidades

mayor rendimiento

La gran mayoría. Evolución a máquinas de tres palas, orientadas a barlovento, con torre tubular y
sistemas de orientación activos (90%). Existen diferencias significativas en aspectos relativos al
tipo de generador eléctrico y los sistemas de control del aerogenerador.
http://www.eitb.com/infografias/detalle/97098/energia-eolica/
http://www.cincodias.com/grafico/sentidos/funcionan-aerogeneradores/20070507cdscdscis_1/#


Aerogeneradores Módulo 1 – Entorno Energético (II)
Evolución Aerogeneradores.
Característica 1982 1992 2002
Potencia Nominal (kW) 55 225 850
Diametro Rotor (m) 15 27 52
Area Barrida (m2) 177 573 2.124
Altura torre (m) 20 30 50
Producción Anual (MWh) 110 520 2.550
peso Total (ton) 12 11 80
Coste Estimado (€) 66.600 250.000 850.000
Producción/Área Barrida (kg/m2) 601 907 1.200
Peso Góndola/Área Barrida (kg/m2) 67,9 39,8 21,3

En la Tabla se presenta una comparación entre la tecnología utilizada en las instalaciones
eólicas conectadas a red en las últimas dos décadas. Para la comparación se han utilizado tres
aerogeneradores comerciales tipo, de las tres épocas consideradas.


Aerogeneradores. Módulo 1 – Entorno Energético (II)
Estructura de un aerogenerador

A continuación se describen algunos de estos elementos de manera general. Para los
sistemas eléctricos, de control y de regulación se realizará una descripción más detallada en
sucesivas clases.

Torre. La cimentación de un aerogenerador
La góndola
El rotor
El sistema de orientación
El generador
El transformador
La multiplicadora
El freno mecánico


Estructura de un aerogenerador. Torre


Estructura de un aerogenerador. Torre
Cimentación torre


Estructura de un aerogenerador. Góndola
La góndola es el elemento que actúa como lugar de
alojamiento de los sistemas eléctricos y mecánicos


Estructura de un aerogenerador. Rotor

El rotor es el actor principal a la hora de interceptar el viento, captando la energía de su
movimiento. Transforma esta energía en energía mecánica, que es aplicada al llamado
“eje lento” de la máquina


Los parámetros relacionados con la geometría del
rotor son:
Diámetro del rotor
Número de palas
Tipo de perfil aerodinámico
Forma en planta,
cuerda del perfil,
Espesor relativo
Ángulo de torsión
Los correspondientes a la operación de la máquina
son:
Velocidad de giro de la turbina
(r.p.m)
Ángulo de paso de pala,
y las características del viento
Densidad
Viscosidad
Velocidad del viento

Estructura de un aerogenerador. Sistema Orientación

Misión: situar el rotor en dirección perpendicular a la del viento.


Estructura de un aerogenerador. Generador + Trafo
Este sistema es el encargado de transformar la energía del movimiento del rotor en electricidad.

Multiplicadora G RED

Red eléctrica

El transformador Evacuación en alta

Alta
tensión
Subestación

Trafo
Alta Media
tensión

Aeros Baja
tensión

Red de
media
tensión

Trafo baja


Estructura de un aerogenerador. Multiplicadora.

Multiplicadora G RED

El papel de la multiplicadora consiste en adaptar la velocidad de giro del rotor, de apenas unas
pocas revoluciones por minuto (entre 17 y 48 rpm, a lo sumo, para aerogeneradores entre 300 kW
y 2 MW), a la elevada velocidad de giro del generador (1000-1500 rpm). Esto se consigue con
una caja de cambios (o de engranajes).


Estructura de un aerogenerador.Freno mecánic + aerofrenos.

Doble función: asegurar la detención total del giro del rotor y realizar
paradas de emergencia en el aerogenerador (exceso de viento)


Estructura de un aerogenerador. Controlador.

http://www.barricksudamerica.com/reporte/reporte2008/infografia.html


Energía captada por un aerogenerador. Coeficiente de potencia
1
E  m ·v 2
v
2
donde
D

A
m   ·V y V  A·L  A·v·t
L=v·t

1
4500 E  · A·v3 ·t
4000 2
3500
1
P o te n c ia (W /m 2 )

potencia por unidad de
3000
2500
área (en W/m2) portada
por una masa de aire en
p= dE/dt = p   · A·v 3
2000
2 1
p(W / m )  ·v3
2
función de la velocidad. 2
1500
1000
500
0
0 5 10 15 20


Potencia real captada por un aerogenerador. Coeficiente de potencia

La potencia calculada con la expresión anterior se corresponde con la que lleva toda la masa de aire
interceptada por el aero. Lógicamente, la máquina nunca podrá extraer toda la energía del viento.

Estas pérdidas se pueden cuantificar mediante el llamado “coeficiente de potencia” del
aerogenerador, que caracteriza su rendimiento aerodinámico. Éste se define como el cociente
entre la potencia mecánica en el eje del rotor (la que efectivamente ha interceptado la máquina) y
la potencia portada por el viento:

Cp = η <> 100%

p rotor p rotor 1
Cp 
p

1 protor  Cp · ·A·v3
 · A·v 3 2
2


Potencia real captada por un aerogenerador. Coeficiente de potencia

Ejemplo: Una turbina eólica tiene un diámetro de rotor de 50 m y
50 m una altura de buje de 60 m. En un instante determinado, la velocidad
del viento a 10 m es de 6 m/s. Sabiendo que el coeficiente de potencia
de la máquina es de 0,3 y que está situada en una zona caracterizada
por un coeficiente de rugosidad de 0,1, calcule:
60 m
- La potencia de la masa de viento que atraviesa el rotor
V = 6 m/s
- La potencia captada por el aerogenerador
10 m

α =0,1


Potencia real captada por un aerogenerador.

Para calcular la potencia portada por la corriente de aire a 60 m
(la altura del rotor), es necesario estimar la velocidad del viento a
esa altura a partir del dato conocido a 10 m. Utilizando la
50 m aproximación exponencial:
V = 7,2 m/s 0,1
 60
V 60  6·   7,2m/ s
 10 
La energía del viento se calcula como:

60 m 1
p  · A·v 3  446kW
V = 6 m/s
2
Donde se ha tomado un valor de 1.23 kg/m3 para la densidad del
10 m aire y se ha tenido en cuenta que, para un diámetro de rotor de 50
m, el área barrida por éste es de 1963 m2, la potencia captada por
α =0,1 el rotor será:

1
protor Cp· ·A·v3 134kW
2


Potencia real captada por un aerogenerador. Límite de Betz

The horizontal axis reflects the ratio v1/v2 , the vertical axis
is the "coefficient of performance" Cp.

1) Application of Conservation of Mass
2) Power and Work

Pmax= 16/27*1/2ρAv13  Cp.max = 16/27 = 0.593

Límite de Betz


Velocidad específica y coeficiente de potencia

w ·r Se define la velocidad específica en una pala de un rotor como el cociente entre la
 
v velocidad lineal en el extremo de la pala y la velocidad del viento


Rendimiento de conversión de una turbina eólica

Rotor Multiplicador Generador Cables Convertidor Transformador
52% 97% 96% 99% 98% 98%

elemento más ineficiente es el rotor

Rotor = elemento más ineficiente:

Perdidas:
-aerodinámicas
-rozamiento
Otros Sistemas: Pérdidas:
-Mecánicas η t (v) = Cp x ηe x ηm
-Eléctricas


Curva de potencia
Velocidad (m/s) Potencia (kW)

Representa la potencia suministrada por la 3 21,3

máquina para cada velocidad del viento. Estas 4 84,9

curvas son suministradas por los fabricantes. 5 197,3

6 363,8
2500
Plena 7 594,9

Carga 8 900,8
2000
9 1274,4
Potencia (kW)

1500 10 1633,0

Carga 11 1863,0
1000
Parcial 12 1960,4

13 1990,4
500
14 1997,9

0 15 1999,6
0 5 10 15 20 25 16 1999,9
Conexión Desconexión
Velocidad (m/s)
17 2000,0

margen de error del 10 %. 21 2000,0


Estimación de la producción de un aerogenerador a partir de la curva de potencia

A partir de la curva de potencia y de los datos medidos de velocidad del viento en un determinado
emplazamiento, es posible estimar la producción anual de energía de un aerogenerador. Para ello,
se multiplica la potencia suministrada por el aero a cada velocidad por las horas al año que el
viento sopla a esa velocidad, en promedio.


Estimación de la producción de un aerogenerador a partir de la curva de potencia
Ejemplo La tabla muestra los datos medidos de velocidad del viento en un determinado emplazamiento, en horas promedio al año.
Además, incluye la potencia de un aerogenerador a cada velocidad. Calcular la producción anual.
Solución
Multiplicando cada potencia por las horas de viento al año se obtiene la producción anual a cada velocidad (en kW·h). Sumando las
producciones se obtiene la energía total suministrada por el aerogenerador al año.
Velocidad (m/s) Potencia (kW) Horas Producción (kWh)

1 0,0 515,1 0,0

2 0,0 801,3 0,0 2500 700000
3 21,3 958,7 20.420,3
600000
4 84,9 1.049,9 89.136,5 2000
5 197,3 1.210,2 238.772,5 500000
6 363,8 1.368,9 498.005,8 1500 400000
7 594,9 1.029,8 612.628,0

8 900,8 659,4 593.987,5 1000 300000
9 1274,4 458,2 583.930,1
200000
10 1633,0 299,9 489.736,7
500
11 1863,0 190,1 354.156,3 100000
12 1960,4 104,9 205.646,0
0 0
13 1990,4 60,3 120.021,1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
14 1997,9 30,1 60.136,8

15 1999,6 13,9 27.794,4
Potencia (kW) Horas Producción (kWh)
16 1999,9 6,8 13.599,3

17 2000,0 1,6 3.200,0

18 2000,0 0,9 1.800,0

Total 3.912.971,4


Factor de carga
Una forma de cuantificar la producción anual de un aerogenerador en una
localización concreta es el denominado factor de carga o de capacidad. Esta magnitud
se utiliza mucho para caracterizar la productividad de las diferentes tecnologías
energéticas (no sólo de la eólica). Éste se define como la producción anual de energía
dividida por la potencia nominal del aerogenerador:

Energía Anual
FC  (kWh/ kW)
PotenciaAero
Precisamente, el significado del factor de carga es el de las horas equivalentes
de funcionamiento a máxima potencia del aerogenerador al cabo de un año.

FC((kWh/ kW)
FC(%)  ·100
8.760


Factor de carga
Ejemplo: Calcular el factor de carga, en horas y en %, para el aerogenerador de la tabla

Velocidad (m/s) Potencia (kW) Horas Producción (kWh)

1 0,0 515,1 0,0
Solución
2 0,0 801,3 0,0 Dividiendo la producción total al año por la potencia
3 21,3 958,7 20.420,3 nominal de la máquina obtenemos el factor de carga en
4 84,9 1.049,9 89.136,5 horas:
5 197,3 1.210,2 238.772,5

6 363,8 1.368,9 498.005,8 Energía Anual 3.912.971, 4
FC    1.956horas
7 594,9 1.029,8 612.628,0 Potencia Aero 2.000
8 900,8 659,4 593.987,5
Si se dividen las horas de funcionamiento efectivo por
9 1274,4 458,2 583.930,1
las 8.760 h que tiene un año:
10 1633,0 299,9 489.736,7
1.956
11 1863,0 190,1 354.156,3 FC (%)  ·100  22,3%
12 1960,4 104,9 205.646,0 8.760
13 1990,4 60,3 120.021,1

14 1997,9 30,1 60.136,8
Esto significa que el aerogenerador funciona, en
15 1999,6 13,9 27.794,4 promedio, aproximadamente la cuarta parte del
16 1999,9 6,8 13.599,3 tiempo (algo menos) en el emplazamiento en
17 2000,0 1,6 3.200,0 cuestión.
18 2000,0 0,9 1.800,0

Total 3.912.971,4


CASO PRÁCTICO
La tabla muestra los datos medidos de velocidad del viento en un determinado emplazamiento, en horas promedio al año. Además,
incluye la potencia de un aerogenerador a cada velocidad. Viento (m/s) Horas Potencia (kW)
> Se pide: 1 515 0

Dibujar la curva de potencia del aerogenerador. 2 801 0
3 959 32
Calcular las velocidades mínima y máxima de funcionamiento de la máquina.
4 1.050 127
Calcular la potencia nominal.
5 1.210 296
Calcular la producción anual del aero. 6 1.369 546

Calcular el factor de carga, en horas y en tanto por ciento (%). 7 1.030 892
8 659 1.351
9 458 1.900
10 300 2.450
11 190 2.795
12 105 2.941
13 60 2.986
14 30 2.997
15 14 2.999
16 7 3.000
17 2 3.000
18 1 3.000
22 0 2.885
23 0 2.800
25 0 0


CASO PRÁCTICO. Solución.

Viento (m/s) Horas Potencia (kW)
La potencia a plena carga, la máxima que puede
1 515 0
producir, es de 3.000 kW (3 MW). 2 801 0
3 959 32
Las velocidades de corte son 2.5 m/s y 23 m/s. 4 1.050 127
5 1.210 296
6 1.369 546
7 1.030 892
3500
8 659 1.351
3000
9 458 1.900
2500
Potencia (kW)

10 300 2.450
2000 11 190 2.795

1500 12 105 2.941
13 60 2.986
1000
14 30 2.997
500
15 14 2.999
0 16 7 3.000
0 5 10 15 20 25
17 2 3.000
Velocidad (m/s)
18 1 3.000
22 0 2.885
23 0 2.800
25 0 0


CASO PRÁCTICO. Solución.
Viento (m/s) Horas Potencia (kW) Producción (kWh)
La tabla muestra los cálculos realizados para
calcular la producción del aerogenerador. En la 1 515 0 0
columna “producción” se incluye el producto de las
horas anuales de funcionamiento por la potencia, 2 801 0 0

para cada velocidad. 3 959 32 30.630

4 1.050 127 133.705
La suma de todos los valores de dicha columna
nos da la producción anual, en kW·h. En este caso, 5 1.210 296 358.159
5.864.142 kW·h, o lo que es lo mismo, cerca de 6 1.369 546 747.009
6.000 MWh.
7 1.030 892 918.942

El factor de carga se calcula como: 8 659 1.351 890.981

9 458 1.900 870.580

10 300 2.450 734.605

Energía Anual 5.864.142 11 190 2.795 531.234
FC    1.954 horas
Potencia Aero 3.000 12 105 2.941 308.469

13 60 2.986 180.032

Si se dividen las horas de funcionamiento 14 30 2.997 90.205
efectivo por las 8.760 h que tiene un año se 15 14 2.999 41.692
obtiene el factor de carga en tanto por ciento:
16 7 3.000 20.399

17 2 3.000 4.800
1.954 18 1 3.000 2.700
FC (%)  ·100  22,3%
8.760 22 0 2.885 0

23 0 2.800 0

25 0 0 0

Total 5.864.142

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