Andrés Díaz Lantada Daniel Fernández Caballero Carlos González García María Esther López Pérez María Rodríguez Villagrá 99374

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1 Instalaciones Eólicas Offshore Andrés Díaz Lantada Daniel Fernández Caballero Carlos González García María Esther López Pérez María Rodríguez Villagrá Eduardo Sánchez Torre 99396

2 Índice 1. Introducción. Objetivos Por qué usar energía eólica? Inversión, ganancia y beneficios Breve historia de la implantación de energía eólica No todo es tan bonito, contradicciones y problemas existentes Antecedentes históricos Descripción tecnológica Coeficiente de potencia Teoría de Betz Tipos de Aerogeneradores eólicos Clasificación de los sistemas eólicos Curva de potencia de un aerogenerador Efectos y características climatológicos Vientos globales Vientos locales Características generales del viento Características del viento en el mar Evaluación de los recursos eólicos Maquinaria Rotor Caja de engranajes Generadores eléctricos Sistemas de regulación de potencia y velocidad... 59

3 4.5. Sistemas de orientación Conexiones a red Dispositivos de seguridad Electrónica de control Acoplamientos mecánicos Estructura soporte, chasis o góndola Torres Instalaciones Cimentaciones Instalación eléctrica Construcción Estudio de impacto ambiental Introducción Impactos positivos Impactos negativos Medidas correctoras Conclusiones del Estudio de Impacto Ambiental Instalaciones existentes Análisis de viabilidad económica Cuánto cuesta un aerogenerador? Costes de instalación de aerogeneradores Costes de operación y mantenimiento Energía eólica y tarifas eléctricas Aspectos económicos de la energía eólica Errores en el análisis de costes en energía eólica Aspectos económicos de la energía eólica marina

4 8.8. Empleo en la industria eólica Posible implantación en España Orígenes de los molinos de viento en España España en la actualidad Evolución de la potencia eólica en España Referencias legales Fomento del empleo Fomento de la investigación Barreras actuales Mejora ambiental Proyectos de eólica marina Medidas que hay que tomar El futuro de las instalaciones offshore Situación europea actual Conclusiones Anejo: Visualización 3-D del balizamiento en aerogeneradores

5 1. Introducción. Objetivos. Hablar de energía eólica, la que se produce a partir del viento, es hablar de energías renovables con mayúscula, puesto que es la que mayor expansión está experimentando en España en los últimos cinco años, fundamentada en un óptimo aprovechamiento de los recursos eólicos disponibles, así como la mejora significativa de las tecnologías. Algunos hechos que pueden enmarcar el estado de la energía eólica en general y la offshore en particular van a remarcar la importancia actual y futura de este tipo de generación de energía son: Todos los pronósticos apuntan que la energía eólica será la piedra angular del sistema de producción energética y del cambio del paisaje. Un parque eólico de 10 MW evita que se generen al año Tm de CO 2. En los últimos años, las nuevas instalaciones eólicas han sobrepasado en potencia a las nuevas centrales nucleares. El 75% de la energía eólica mundial está instalada en Europa. En el año 2003 Alemania, España y Dinamarca sumaron casi el 90% de la capacidad de energía eólica instalada en la Unión Europea. El mercado europeo de la energía eólica crece un 35% cada año y el 80% del mercado norteamericano de turbinas eólicas está copado por empresas europeas. El tercer futuro mercado de los molinos yace en el mar (offshore), con más de MW eólicos propuestos en los mares de Europa del Norte. Las áreas marinas eran un paisaje natural imperturbado por el ser humano hasta fines del siglo XX. La energía eólica ya satisface en todo el planeta las necesidades de electricidad de unos 14 millones de hogares y más de 40 millones de personas. Un megavatio producido por el viento satisface la necesidad eléctrica de 350 casas (cerca de 1000 personas) en una sociedad industrial. Máquinas hidráulicas Página 1

6 Los megavatios de producción actual son suficientes para resolver las necesidades residenciales de unos 16 millones de personas (población de Dinamarca, Finlandia, Noruega y Suecia, unos 7,5 millones de hogares promedio en los Estados Unidos) Por qué usar energía eólica? La humanidad debe usar cada día con más eficiencia la energía, pero el mundo en vías de desarrollo también necesita más energía para afrontar sus necesidades más acuciantes. El reto con que se enfrenta la humanidad es satisfacer la creciente demanda de energía y, al mismo tiempo, afrontar la amenaza inminente del cambio climático. La ventaja de la energía eólica es la generación de electricidad sin producir los contaminantes asociados a los combustibles fósiles y a la energía nuclear, entre ellos, el más significativo es el dióxido de carbono, gas de efecto invernadero así como los residuos de las nucleares. Los recursos energéticos basados en fuentes renovables como la energía eólica son potencialmente ilimitados. La potencia global del viento está creciendo anualmente en un 38% convirtiéndose en la industria energética de mayor crecimiento. La energía eólica promueve un futuro energético limpio y sustentable, disminuyendo la dependencia de los combustibles fósiles. Fig. 1. Una de las primeras parque offshore en Reino Unido. Máquinas hidráulicas Página 2

7 A partir del Protocolo de Kyoto de 1997, se requiere una reducción global de las emisiones de gases de efecto invernadero del 5,2% entre respecto de los niveles de Los Estados miembros de la Unión Europea por ejemplo, se han marcado como objetivo conjunto que el 22% de su electricidad provenga de fuentes renovables en el 2010, tomando como punto de partida la cuota del 17% existente en Hay un enorme recurso eólico adicional en los mares a lo largo de las costas europeas, el potencial eólico marino es de TWh, esta cifra sobrepasa el consumo eléctrico total de los 15 países miembros Inversión, ganancia y beneficios El aerogenerador aprovecha la energía del viento y lo transforma en energía que a través de la red que ya esta instalada se puede distribuir a todos los clientes. Actualmente hay más de aerogeneradores instalados en el mundo, facturando 5 millares de euros. Los datos muestran que la capacidad de generación de energía por el viento en el año 2000 fue de megavatios, en el año 2001 fue de megavatios, un aumento de megavatios, en al año 2002 se estimó en megavatios, un aumento de megavatios. La inversión anual necesaria para lograr la implantación de la energía eólica descrita anteriormente fue de 5,2 billones de euros en el 2001 y aumentará hasta 67 billones de euros en el La inversión total necesaria para alcanzar un nivel de GW en el 2020 se estima de unos 628,6 billones de euros a lo largo del periodo completo. Europa ha consolidado su liderazgo (85,3%) mientras que Estados Unidos continúa sin mostrar un excesivo interés y Asía está mostrando un sostenido desarrollo del sector. Máquinas hidráulicas Página 3

8 La participación de energía eólica en el suministro de electricidad a nivel mundial alcanzo el 0,4 por ciento. Está industria emplea a nivel global a unas personas, la mayoría de ellos en Europa. El mercado global de grandes turbinas eólicas superará los millones US$ anuales para el año País Alemania USA España Dinamarca India Italia Holanda UK China Resto Mundo TOTAL Crecimiento 30 % 37 % 32 % 38 % 32 % 21.7% Fig. 2. Capacidad eólica por países en MW. Para una industria pesada es una tasa de crecimiento muy interesante que ningún otro sector industrial puede mostrar, sólo algunas otras actividades comerciales tales como la telefónica celular o la industria asociada al desarrollo de internet muestran similares índices. Estos espectaculares niveles de crecimiento hacen que la industria eólica a nivel global haya tenido un crecimiento anual acumulado promedio durante los últimos cinco años del 34 %, debido a la enorme disminución de sus costes: Los costes de producción de un kilovatio hora eólica son hoy una quinta parte de lo que era hace 20 años. Durante los últimos cinco años, los costes se han reducido aproximadamente un 20 %. Máquinas hidráulicas Página 4

9 La energía eólica ya es competitiva con nueve centrales térmicas de carbón y en algunos emplazamientos puede incluso competir con el gas, actualmente la opción más económica. El beneficio medioambiental más importante de la generación de electricidad mediante energía eólica es la reducción de los niveles de dióxido de carbono que se emiten a la atmósfera del planeta. El dióxido de carbono es el principal gas responsable del incremento del efecto invernadero, que lleva a las consecuencias desastrosas del cambio climático global. Asumiendo que el valor medio de dióxido de carbono evitado mediante el cambio a energía eólica es de 600 toneladas por GWh, la disminución anual según este escenario será de millones de toneladas de C0 2 en 2020 y 4,800 millones de toneladas en La reducción acumulada sería de millones de CO2 en 2020 y millones en El aspecto medioambiental se estudiará pormenorizado en el epígrafe del Estudio de Impacto Ambiental (EIA). Europa, continente densamente poblado, tiene bastante energía eólica fuera de la costa, fácilmente accesible para resolver todas las necesidades de la electricidad de la región. En Estados Unidos hay bastante viento para producir energía eólica pero solamente en tres de los 50 estados que integran dicho país. Fig. 3. Ejemplo de coexistencia medioambiental del aerogenerador. Máquinas hidráulicas Página 5

10 1.3. Breve historia de la implantación de energía eólica. A comienzos de 1991, Alemania comenzó a producir energía eólica contribuyendo al desarrollo sostenible de la producción de energía. Los programas del Gobierno Federal y Regional para propagar dicha energía eólica condujeron a que Alemania hoy sea líder mundial por cuarta vez consecutiva con una totalidad de molinos que producen por año millares de kwh, cubriendo el 4,7% de la necesidad energética del país, algunas regiones tales como Baja Sajonia y Schleswig- Holstein cubren el 25% de su demanda con el viento. Con una capacidad potencial de Alemania de MW, se estima que llegara a los MW. para el Especialmente en regiones costeras, la energía eólica ha conquistado un porcentaje considerable en el suministro de energía en Alemania. En el estado federado más septentrional, Schleswig-Holstein, ubicado entre el Mar del Norte y el Báltico, la energía eólica cubre aproximadamente una cuarta parte del consumo neto de electricidad; a escala nacional, esta marca es del 3,5 %. Los Estados Unidos, que lanzaron la industria eólica en los años 80, actualmente con MW, han superado a España y ocupa el segundo posición en potencia instalada. A pesar de tener un potencial significativamente mayor, EEUU tiene actualmente menos de la mitad de la potencia eólica instalada en Alemania cuando se estima que sólo el Estado de Dakota del Norte tiene 50 veces más recursos eólicos que Alemania. España esta en el tercer lugar, con MW. Dinamarca, que es la cuarta en el 2003, con MW consigue el 20% de su electricidad del viento. Esta es una proporción mayor que la de ninguna otra nación en el mundo. Mediante el uso de la energía eólica, Dinamarca ya ha conseguido un tercio de las reducciones requeridas por el Protocolo de Kyoto, lo que equivale aproximadamente a un 7 % de todas las emisiones de gases de efecto invernadero del país. Máquinas hidráulicas Página 6

11 La estrategia de generación eólica en Alemania prevé la instalación de parques eólicos marinos en los mares Báltico y Nórdico, aumentando la potencia instalada hasta los MW (80 TWh de electricidad) de aquí hasta el Esta cantidad es equivalente al 60 por ciento de la actual potencia de las centrales nucleares. Las turbinas instaladas en la costa incrementaran en un 15% la producción energética de este país. El otro 10% se obtendrá en instalaciones continentales. En Alemania prevé construir unas 4000 turbinas de aquí al No todo es tan bonito, contradicciones y problemas existentes. El Mercado Común Europeo tiene una capacidad total instalada de MW. Sin embargo, a pesar de estos resultados brillantes hay varios obstáculos financieros y legales que frenan el desarrollo global de la potencia del viento. Los términos de los acuerdos de compra de la potencia energética son cruciales para el desarrollo de la potencia del viento. El auge de la potencia del viento que ocurrió en Dinamarca y Alemania al comienzo de los años 90, fue principalmente el resultado de la subvención concedida para la energía eólica (tarifa REFITs). Uno de los problemas más grandes de la energía eólica es el capital inicial. Por ejemplo, para un parque bien localizada de viento con 20 turbinas, cada una con 600 kw y con 2000 horas de carga plena al año, dan lugar a 24 millones de KWh., proporciona electricidad para hogares (el consumo medio es 4000 KWh/año), la inversión inicial por los generadores eólicos sería alrededor de 12 millones de euros. Pero una vez que esté en servicio un parque del viento tiene pocos costes de mantenimiento. Sin embargo, las restricciones de la oposición local pueden obstaculizar los proyectos, causada a menudo por la implicación limitada de la población local, o por los beneficios limitados para las comunidades locales. Máquinas hidráulicas Página 7

12 1.5. Antecedentes históricos. Por todos es conocido el suceso narrado por Don Miguel de Cervantes en su novela El Ingenioso Hidalgo Don Quijote de la Mancha en la que el protagonista, llevado por su locura, arremete contra unos molinos manchegos al confundirlos con gigantes:...ves allí, amigo Sancho, donde se descubren treinta o poco más desaforados gigantes con quien pienso hacer batalla, y quitarles a todos las vidas,... Qué gigantes? dijo Sancho. Aquellos que allí ves, respondió su amo, de los brazos largos, que los suelen tener algunos de casi dos leguas. Mire vuestra merced, respondió Sancho, que aquellos que allí se parecen no son gigantes, sino mol-nos de viento, y lo que en ellos parecen brazos son las aspas, que volteadas del viento hacen andar la piedra del molino... Seguramente muchos de nosotros tomaríamos por loco al Ingenioso Hidalgo si lo enfrentásemos a una máquina eólica actual de kw, de 80 metros de diámetro de rotor y hasta 100 metros de altura de torre. La pregunta que tendríamos que hacernos son: cómo hemos llegado hasta aquí?, por qué la tecnología nos ha conducido a sistemas de esta índole? Se podría argumentar que existe una mayor conciencia social sobre el impacto ambiental que las energías no renovables ocasionan o incluso que las energías renovables se han puesto de moda en los últimos años. Sin embargo, quizás sea la crisis energética de 1973 el punto de inflexión en el que fundamentalmente los países no productores de petróleo decidieron apostar fuertemente por la investigación en el campo de las energías renovables en general y de la energía eólica en particular. Máquinas hidráulicas Página 8

13 La energía eólica representa hoy en día una de las fuentes energéticas más baratas y con una tecnología de aprovechamiento totalmente madura y puesta a punto; pero esto no ha sido así siempre; a continuación se realiza un pequeño análisis de su evolución histórica: Velas de navegación. La primera y más sencilla aplicación de la energía del viento corresponde al uso de las velas en la navegación. La referencia más antigua se encuentra en un grabado egipcio que data del III milenio a.c. Las peculiares características de los vientos, su comportamiento irregular tanto en intensidad como en dirección, exigen para su aprovechamiento una tecnología capaz de desarrollar los mecanismos de regulación y orientación, más complejos que los de los sistemas hidráulicos. Fig. 4. Molino persa. Los primeros ingenios eólicos debieron desarrollarse en la antigua Persia, cuyos territorios eran muy ventosos y donde se reunían los más avanzados conocimientos técnicos del momento, tanto del extremo oriente como de la cultura helénica. Molinos de eje vertical. Los primeros molinos que aparecen son los de eje vertical: un número determinado de velas montadas verticalmente unidas a un eje y empujadas por el aire reemplazaron el accionamiento animal para proporcionar un movimiento giratorio, como es el ejemplo del molino persa de la figura anterior. Máquinas hidráulicas Página 9

14 Fig. 5. Molino de eje vertical Panémonas chinas. Los chinos utilizaban desde tiempos inmemoriales los molinos de viento, llamados panémonas, que se usaban para bombear agua en las salinas, e incluso algunos historiadores apuntan hacia la posibilidad de que pudieron ser los precursores de los molinos persas. Las panémonas eran también de eje vertical y sus palas estaban construidas a partir de telas sujetas a largueros de madera. La posición de las palas podía variarse para regular la acción del viento sobre el molino. Molinos de eje horizontal. Hay una gran distancia entre los escasos datos acerca de los molinos persas y aquellos llamados molinos europeos con velas montadas en un eje horizontal, alguno de los cuales se utiliza hasta el día de hoy. Los primeros molinos de eje horizontal tenían una serie de lonas dispuestas a lo largo de una estructura de madera que se debía de orientar hacia el viento incidente. Esta orientación se conseguía haciendo girar el rotor sobre el poste donde se suspendía, guiado por una veleta. Máquinas hidráulicas Página 10

15 Molinos del siglo XVII: la mejora de los sistemas mecánicos. El siglo XVII es un siglo de grandes avances científicos y tecnológicos pero a principios del mismo, los principios teóricos de los molinos son todavía apenas conocidos. Las innovaciones no alteraron el formato exterior de los molinos, que se mantuvo sin demasiadas modificaciones, pero en cambio mejoraron los detalles de diseño y construcción apareciendo los sistemas mecánicos de orientación y regulación. Fig. 6 Aerobomba multipala. Las palas de los molinos anteriores al siglo XVII se construían con un entramado de varillas a ambos lados de un mástil principal, cubriéndose posteriormente con una tela. Más tarde el mástil se colocó en el borde de ataque de la pala, de forma que soportara mejor la entrada de aire. Este sistema era también el más adecuado para dotar de cierta torsión a la pala a lo largo de la envergadura, con el fin de mejorar su rendimiento aerodinámico. Las palas con torsión se desarrollaron en el siglo XVII y la incorporación de los sistemas de regulación se llevó a cabo en el siglo siguiente. Molinos del siglo XIX y XX. Los molinos de viento evolucionaron en su desarrollo hasta mediados del siglo XIX, introduciéndose continuas mejoras tecnológicas a partir de elementos mecánicos: : primeras bombas eólicas por Daniel Halladay; rotores multipalas acoplados mediante un sistema biela-manivela a una bomba de pistón. Máquinas hidráulicas Página 11

16 : fabricación de álabes metálicos, molino de bombeo americano : La Cour diseñó el primer prototipo de aerogenerador eléctrico : construcción por La Cour de la primera turbina eólica generadora de electricidad del mundo : Johannes Juul fabrico en Gedser (Dinamarca) el primer aerogenerador de corriente alterna de 200 kw : Utrich Hutter construyó un aerogenerador con una potencia de 100 kw y un diámetro de 34 m. Fig. 7. Aerogenerador de La Cour de 1891 en Dinamarca. Máquinas hidráulicas Página 12

17 2. Descripción tecnológica. Antes de entrar en detalles descriptivos del tipo de sistemas necesarios para un aprovechamiento eólico hay que analizar dos conceptos: - Coeficiente de potencia: da una idea de la potencia realmente obtenida a través del sistema eólico - La fórmula de Betz : proporciona la máxima potencia extraíble de una vena fluida Coeficiente de potencia. La potencia que posee el viento incidente sin perturbar y de velocidad v1 viene dada por la expresión: P = ρ S v1 Sin embargo, un aerogenerador no es nunca capaz de llegar a capturar el 100% de esta potencia que posee tal viento incidente, de tal manera que la potencia capturada por el rotor de la máquina es significativamente menor. El coeficiente de potencia de un aerogenerador es un coeficiente adimensional que indica el rendimiento con el cual funciona el mismo, y expresa qué cantidad de la potencia total que posee el viento incidente es realmente capturada por el rotor de dicho aerogenerador. Si P es la potencia real capturada por el rotor se puede definir como: C P P = 1 ρ S v 2 El coeficiente de potencia con que funciona un aerogenerador en general no es constante, pues varía en función de las condiciones de funcionamiento de la máquina. 3 1 Máquinas hidráulicas Página 13

18 2.2. Teoría de Betz. El primero en estudiar los motores eólicos fue Betz, quien determinó la máxima potencia extraíble de una vena fluida. Las hipótesis de esta teoría son: - Las palas trabajan sin fricción alguna. - Las líneas de corriente que definen el volumen de control, separan perfectamente el flujo de aire perturbado del no perturbado. - La presión estática en puntos suficientemente alejados del rotor coincide con la presión estática de la corriente libre no perturbada. - La fuerza desarrollada por unidad de área a lo largo del rotor es constante. - El rotor no induce rotación alguna en la estela de salida. - El fluido es ideal e incompresible. En virtud del principio de conservación de la energía, si el aerogenerador extrae una cierta cantidad de energía de la vena, ésta debe perder la misma cantidad de energía cinética. Por tanto, la velocidad V2 debe ser inferior a la velocidad V1. Fig. 8. Movimiento de un fluido a través de un conducto. Bajo estas hipótesis Betz dedujo que el máximo valor de potencia susceptible de ser extraído de la vena fluida es: P 3 max = ρ S v1 Máquinas hidráulicas Página

19 expresión que se conoce como fórmula de Betz y que proporciona la máxima potencia que podemos extraer de una corriente de aire. La relación P P max ρ S v1 16 = 27 = 1 3 ρ S v representa el coeficiente de potencia máximo (límite de Betz) y sirve para caracterizar el rendimiento de un rotor eólico. = C P 2.3. Tipos de Aerogeneradores eólicos. Al seleccionar el aerogenerador idóneo para una determinada aplicación se requieren principalmente dos datos: - Régimen de viento disponible : fija la máquina más adecuada. - Nivel de necesidades o energía que deseamos obtener en un periodo de tiempo dado que va a determinar el tamaño de la máquina. Fig. 9. Clasificación de las máquinas eólicas. Máquinas hidráulicas Página 15

20 Por lo general se clasifican en dos grandes bloques, según sea el eje horizontal o vertical. Dentro del primer grupo podemos distinguir ejes paralelos a la dirección del viento (como los convencionales molinos) y perpendiculares a dicha dirección. Y a su vez, entre los paralelos, caben dos alternativas según el rotor sea dispuesto en la parte anterior del eje (posición a barlovento), o en el posterior (posición a sotavento), bien entendido que el origen lo define el sentido del viento. Estas máquinas están constituidas por una aerogenerador tipo rotor, que acciona un alternador eléctrico. Fig. 10. Aerogenerador de eje horizontal y tres palas. El número de palas es, normalmente, de dos o tres, si bien existe también en la actualidad un prototipo de aerogenerador monopala. Puede considerarse este tipo de máquina como una versión avanzada de la clásica turbina multipala, de pequeña potencia, ampliamente utilizada en el pasado para el bombeo de agua. Los de eje vertical se clasifican en rotores por resistencia o por sustentación. En el primer grupo la fuerza motriz utilizada tiene la dirección del viento y en el segundo es perpendicular a la misma. Máquinas hidráulicas Página 16

21 Aerogeneradores de eje vertical. Dentro de los aerogeneradores de eje vertical, se pueden destacar los siguientes diseños: - Máquina de rotor tipo Savonious: la sección recta tiene forma de S y la acción fundamental del viento sobre ella tiene el carácter de resistencia. Esta máquina tiene un rendimiento bajo, por lo que únicamente es idónea, por su simplicidad, para potencias muy pequeñas. - Máquinas de rotor tipo Darrieus: integrada por varias palas cuya sección recta tiene la forma de un perfil aerodinámico. Las palas están unidas por sus extremos al eje vertical, estando arqueadas en una forma similar a la que tomaría una cuerda girando alrededor del eje. Fig. 11. Aerogenerador con rotor Darrieus y Savonious. Máquinas hidráulicas Página 17

22 Ventajas de aerogeneradores de eje vertical. Los aerogeneradores Darrieus tienen las siguientes ventajas: 1. Su simetría vertical hace innecesario el uso de un sistema de orientación, como ocurre con las máquinas de eje horizontal para alinear el eje de la turbina con la dirección del viento. 2. La mayoría de los componentes que requieren mantenimiento están localizados a nivel del suelo. 3. No requieren mecanismo de cambio de paso en aplicaciones a velocidad constante. Aerogeneradores de eje horizontal. Los aerogeneradores de eje horizontal se pueden clasificar en función de su velocidad y número de palas del rotor. Pero estos dos aspectos están íntimamente relacionados hablándose de máquinas rápidas (menos de 4 palas) y lentas (hasta 24 palas). El proceso de funcionamiento de estos dos tipos de máquinas es diferente. En las máquinas lentas la fuerza que actúa sobre la pala tiene una componente mucho más importante de resistencia (fuerza D) que de sustentación (fuerza L) mientras que en las máquinas rápidas la sustentación es mucho mayor que la resistencia. Uno de los principales problemas de los molinos de eje horizontal es la orientación de forma que el viento incida perpendicularmente al disco del rotor para obtener la máxima potencia. Con este fin existen varios sistemas para orientar la máquina: - Veletas. - Molinos auxiliares. - Dispositivos autorientables - Servomotores Máquinas hidráulicas Página 18

23 Ventajas de aerogeneradores de eje horizontal. Las ventajas que presentan los aerogeneradores de eje horizontal son las siguientes: 1. Su rendimiento (coeficiente de potencia) es mayor que el correspondiente a los de eje vertical. 2. Su velocidad de rotación es más elevada que la de los aerogeneradores Darrieus, por lo que requieren cajas de engranajes con menor relación de multiplicación. 3. La superficie de la pala es menor que en los modelos de eje vertical para una misma área barrida. 4. Los sistemas de sujeción de los modelos Darrieus impiden elevar la turbina tanto como en los modelos de eje horizontal. Ello da lugar a que con una misma área barrida se obtenga menor potencia en los de tipo Darrieus, por aprovecharse menos el aumento de la velocidad del viento con la altura. Rendimientos aerodinámicos de aerogeneradores. En la siguiente figura se muestran los rendimientos aerodinámicos de los distintos tipos de máquinas eólicas referidos anteriormente. Dichos valores están representados en función de la velocidad específica: R λ 0 = Ω v Ω : velocidad de giro R : radio de la pala V : velocidad del viento incidente sobre el rotor. Máquinas hidráulicas Página 19

24 Fig. 12. Comparación de los distintos tipos de aerogeneradores en función del rendimiento aerodinámico Clasificación de los sistemas eólicos. Las aplicaciones de la energía eólica pueden agruparse en tres bloques principales: - Producción de energía eléctrica. - Transformación en trabajo. - Otras aplicaciones industriales. Estas aplicaciones básicas, se pueden llevar a cabo con tres tipos de sistemas en función de la potencia: - Sistemas de baja potencia: potencia nominal inferior a los kw - Sistemas de media potencia: potencia nominal de algunos cientos de kw - Sistemas de alta potencia: capaces de alcanzar el rango unitario del megavatio. Máquinas hidráulicas Página 20

25 Sistemas de baja potencia. Son máquinas pequeñas que se utilizan para alimentar cargas que están alejadas de las redes eléctricas convencionales. Con frecuencia, este tipo de aerogeneradores se combinan con generadores diesel para proveer una función de respaldo y, dependiendo de las necesidades de suministro de electricidad y de la disponibilidad de los recursos energéticos no convencionales, se pueden combinar también con sistemas fotovoltaicos, microturbinas hidráulicas y otros, dando lugar a combinaciones que se conocen como sistemas híbridos. Sistemas de media potencia. Son sistemas cuya potencia media ronda los 150 kw y tiene como principales aplicaciones la generación de energía eléctrica y el bombeo de agua. La generación de energía eléctrica en estos sistemas se aplica a colectividades mayores, y como el problema del almacenamiento es mayor, solo cabe su utilización como fuente complementaria conectada a la red principal o bien en combinación con un motor diesel para abastecer una pequeña red local. El bombeo de agua con una potencia puesta en juego mayor no presenta problemas si se dispone de depósitos adecuados. Sistemas de gran potencia. Son máquinas de gran tamaño que se conectan a una red eléctrica convencional para alimentar cargas específicas de capacidad importante o para construir centrales eoloeléctricas. Los tamaños, en cuanto a producción de potencia se refiere, oscilan entre 300 kw y kw. A pesar de los distintos conceptos de aerogeneradores ensayados, los que actualmente se imponen por su grado de madurez tanto en aspectos técnicos como económicos son los de eje horizontal. Máquinas hidráulicas Página 21

26 2.5. Curva de potencia de un aerogenerador. La potencia proporcionada por un aerogenerador se representa por un gráfico denominado curva de potencia, donde se relaciona la potencia eléctrica que entrega el sistema con la velocidad del viento a la altura del centro de su rotor. Fig. 13. Curva de potencia de un aerogenerador. Este tipo de curvas se utilizan como un dato de entrada para estimar la cantidad de energía eléctrica que un aerogenerador específico produciría al operar bajo un régimen de viento dado. La obtención de la curva de potencia de un aerogenerador está sujeta a un procedimiento experimental estándar fijado por la Comisión Electrotécnica Internacional en la norma IEC En estas curvas existen cuatro puntos de referencia cuyos valores trascienden en cuanto a la respuesta operacional de los aerogeneradores. Estos puntos son: - Va : velocidad de arranque o inicio: Velocidad del viento a la cual un aerogenerador empieza a producir energía eléctrica. - Vn : velocidad nominal: Velocidad del viento a la cual se alcanza el valor nominal de potencia del generador eléctrico. - Vs : velocidad de parada o salida: Velocidad del viento a la cual un aerogenerador tiene que ejecutar un paro forzado para no operar por arriba de sus limites máximos de diseño. Máquinas hidráulicas Página 22

27 - Vss : velocidad de supervivencia: La velocidad del viento arriba de la cual el rotor de un aerogenerador puede sufrir daños permanentes a pesar de que se encuentre frenado. Es importante notar que la curva de potencia de un aerogenerador se obtiene mediante la adquisición de una considerable cantidad de datos de la velocidad del viento (referida a la altura del centro del rotor) y de la potencia eléctrica de salida. Las mediciones se llevan a cabo bajo condiciones de operación en viento sin perturbar, atendiendo a una serie de recomendaciones en cuanto a la exposición del aerogenerador al flujo eólico para garantizar que los resultados de potencia de la máquina no sean alterados por condiciones locales particulares. Fig. 14. Gráfica de la potencia en función de la velocidad del viento para el cálculo de la curva de potencia de un aerogenerador. Máquinas hidráulicas Página 23

28 3. Efectos y características climatológicos Vientos globales El fenómeno conocido como viento está constituido por las corrientes de aire generadas a consecuencia del desigual calentamiento de la superficie terrestre. Las regiones alrededor del ecuador (0 de latitud) son calentadas por el sol más que las zonas del resto del globo. Estas áreas calientes están indicadas en colores cálidos en esta imagen de rayos infrarrojos de la superficie de los océanos. Fig. 15 Diferencia de temperaturas en el globo terrestre Esta no uniformidad del flujo de radiación solar incidente provoca movimientos convectivos de la masa atmosférica. El aire caliente es más ligero que el aire frío, por lo que subirá hasta alcanzar una altura aproximada de 10 km (zona que comprende la troposfera) y se extenderá hacia el norte y hacia el sur. Si el globo no rotase, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al Polo Sur, para posteriormente descender y volver al ecuador. Fig. 16 : Movimientos convectivos en la atmósfera Máquinas hidráulicas Página 24

29 El viento sube desde el ecuador y se desplaza hacia el norte y hacia el sur en las capas más altas de la atmósfera. Alrededor de los 30 de latitud en ambos hemisferios la fuerza de Coriolis evita que el viento se desplace más allá. En esa latitud se encuentra un área de altas presiones, por lo que el aire empieza a descender de nuevo. Cuando el viento suba desde el ecuador habrá un área de bajas presiones cerca del nivel del suelo atrayendo los vientos del norte y del sur. En los polos, habrá altas presiones debido al aire frío. Teniendo en cuenta la fuerza de Coriolis, se obtiene los siguientes resultados generales de las direcciones del viento dominantes: Latitud 90 60º N 60 30º N 30 0º N 0 30º S 30 60º S 60 90º S Dirección NE SO NE SE NO SE Fig. 17 : Direcciones del viento dominantes Los vientos considerados hasta ahora son globales, llamados geostróficos, que son generados por las diferencias de temperatura, así como por las de presión, y apenas son influenciados por la superficie de la tierra encontrándose a una altura de metros a partir del nivel del suelo Vientos locales Hasta altitudes de 100 metros, los vientos están muy influenciados por las características de la superficie terrestre. El viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos. Tratándose de energía eólica, interesará conocer estos vientos de superficie y cómo calcular la energía aprovechable del viento. Los principales efectos locales son descritos a continuación: 1. Brisas marinas Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar por efecto del sol. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel del suelo que atrae el aire frío de este. A menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando las Máquinas hidráulicas Página 25

30 temperaturas del suelo y del mar se igualan. Durante la noche los vientos soplan en sentido contrario y tiene normalmente velocidades inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es menor. 2. Vientos de montaña y viento de cañón Cuando las laderas y el aire próximo a ellas están calientes la densidad del aire disminuye, y el aire asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la vertiente. Durante la noche la dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un viento que fluye hacia abajo siendo mayores en las orientadas a sotavento. Si el fondo del valle está inclinado, el aire puede ascender y descender por el valle. Este efecto es conocido como viento de cañón. 3. Variación diaria del viento En la mayoría de las localizaciones del planeta el viento sopla más fuerte durante el día que durante la noche. Esta variación se debe sobre todo a las diferencias de temperatura. El viento presenta también más turbulencias y tiende a cambiar de dirección más rápidamente durante el día que durante la noche. Desde el punto de vista de la generación eléctrica, el hecho de que la mayor parte de la energía eólica se produzca durante el día es una ventaja, ya que el consumo de energía diurno es mayor que durante el nocturno. 4. Efecto túnel Este efecto se produce cuando el aire atraviesa un paso estrecho entre dos montañas o dos edificios altos. Al pasar a través el aire se comprime y la velocidad del viento aumenta de forma considerable. Situar un aerogenerador en un túnel de este tipo es una forma inteligente de obtener velocidades del viento superiores a las de las áreas colindantes. Para obtener un buen efecto túnel, debe estar suavemente enclavado en el paisaje. En el caso de que las colinas sean muy accidentadas, puede haber muchas turbulencias en esa área, que pueden causar roturas y desgastes no deseados en el aerogenerador. Máquinas hidráulicas Página 26

31 5. Efecto colina Una forma corriente de emplazar aerogeneradores es situándolos en colinas o estribaciones dominando el paisaje circundante ya que supone una ventaja tener una vista lo más amplia posible en la dirección del viento dominante en el área. En las colinas, siempre se aprecian velocidades de viento superiores a las de las áreas circundantes. Fig. 18 : Efecto colina Tal y como se puede observar en la figura 19, el viento empieza a inclinarse algún tiempo antes de alcanzar la colina. También se aprecia que el viento se hace muy irregular una vez pasa a través del rotor del aerogenerador. Al igual que ocurría anteriormente, si la colina es escarpada o tiene una superficie accidentada, puede haber una cantidad de turbulencias significativa, que puede anular la ventaja que supone tener unas velocidades de viento mayores Características generales del viento 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 Para caracterizar el viento y la potencia que se puede extraer de él hay que tener en cuenta varios factores: Máquinas hidráulicas Página 27

32 Densidad del aire A presión atmosférica y 15 C el aire tiene una densidad de 1,225 kg/m 3, aunque se ve afectada por ciertos factores: - Humedad, que la hace disminuir ligeramente. - Temperatura, el aire es más denso cuando la temperatura es menor. - Altura, al aumentarla, la presión del aire es más baja y el aire es menos denso. Velocidad La velocidad del viento es muy importante para la cantidad de energía que un aerogenerador puede extraer del viento ya que ésta varía con el cubo de la velocidad. Fig. 19: Energía del viento La figura 19 muestra de forma simplificada la distribución de velocidades del viento al atravesar un aerogenerador. En realidad, un aerogenerador desviará el viento antes incluso de que el viento llegue al plano del rotor. Esto significa que no es posible capturar toda la energía que hay en el viento utilizando un aerogenerador (ley de Betz). Por ser la velocidad el factor más importante en la producción energética se tratará posteriormente con más detalle. Máquinas hidráulicas Página 28

33 Dirección El viento no sopla únicamente en una dirección aunque sí suelen tener unas direcciones principales. Para mostrar la información sobre las distribuciones de velocidades del viento y la frecuencia de variación de las direcciones del viento, se traza la llamada rosa de los vientos basándose en observaciones meteorológicas de las velocidades y direcciones del viento. Fig. 20: Rosa de los vientos. La rosa se divide en varios sectores generalmente 8, 12 ó 16 y en éstos se pueden hacer varias representaciones: la frecuencia relativa en el tiempo, la anterior multiplicada por la media en cada sector, o la frecuencia relativa multiplicada por la media al cubo. Esta última es de gran interés pues da información de la cantidad energética del viento en una determinada dirección y la orientación más favorable para el aerogenerador. Sin embargo, las estimaciones eólicas pueden variar de un año a otro, así como el contenido energético (normalmente alrededor de un 10 por ciento). Por lo tanto, lo más conveniente es tener observaciones de varios años para poder obtener una media fidedigna. Normalmente se cuenta con un año de medidas locales y se utilizan observaciones meteorológicas a largo plazo, de las estaciones climáticas cercanas, para ajustar sus medidas y obtener así una media a largo plazo fiable. Rugosidad A una gran altura de la superficie del suelo, alrededor de un kilómetro, la superficie terrestre apenas ejerce influencia alguna sobre el viento. Máquinas hidráulicas Página 29

34 Sin embargo, en las capas más bajas de la atmósfera, las velocidades del viento se ven afectadas por la fricción con la superficie terrestre (rugosidad). En general, cuanto más pronunciada sea la rugosidad del terreno mayor será la ralentización que experimente el viento. En la industria eólica, suele referirse a clase de rugosidad o longitud de rugosidad cuando se trata de evaluar las condiciones eólicas de un paisaje. Una alta rugosidad de clase 3 ó 4 se refiere a un paisaje con muchos árboles y edificios, mientras que a la superficie del mar le corresponde una rugosidad de clase 0. Al igual que ocurre con la dirección se puede trazar una rosa de las rugosidades para describir la rugosidad del terreno en diferentes direcciones desde el futuro emplazamiento de una turbina eólica. En principio, con esto podría utilizarse un programa de cálculo para estimar como cambia la velocidad media del viento en cada sector debido a las diferentes rugosidades del terreno. Cizallamiento Otro efecto importante en el diseño de aerogeneradores es el cizallamiento del viento, por el cual el perfil de velocidades disminuye conforme la altura al nivel del suelo decrece. Fig. 21 : Cizallamiento del viento Máquinas hidráulicas Página 30

35 Considerando la atmósfera neutra, se puede expresar el perfil de velocidades en función de la altura según la expresión: v = v ref ln(z/z 0 ) / ln(z ref /z 0 ) Turbulencia En áreas cuya superficie es muy accidentada y tras obstáculos como edificios, se producen muchas turbulencias, con flujos de aire muy irregulares, con remolinos y vórtices en los alrededores. En la figura siguiente puede verse un ejemplo de como la turbulencia aumenta las fluctuaciones en la velocidad del viento. Fig. 22 : Variación de la velocidad por efecto de la turbulencia Las turbulencias disminuyen la posibilidad de utilizar la energía del viento de forma efectiva así como provocan mayores roturas y desgastes Las torres de aerogeneradores suelen construirse lo suficientemente altas como para evitar las turbulencias del viento cerca del nivel del suelo. Además de las turbulencias externas al propio aerogenerador siempre se va a crear un abrigo en la dirección a favor del viento. De hecho, habrá una estela tras la Máquinas hidráulicas Página 31

36 turbina, es decir, una larga cola de viento bastante turbulenta y ralentizada, si se compara con el viento que llega a la turbina. En los parques eólicos, para evitar una turbulencia excesiva corriente abajo alrededor de las turbinas, cada una de ellas suele estar separada del resto. Lo ideal sería poder separar las turbinas lo máximo posible en la dirección de viento dominante. Pero por otra parte, el coste del terreno y de la conexión de los aerogeneradores a la red eléctrica aconseja instalar las turbinas más cerca unas de otras. Como norma general, la separación entre aerogeneradores en un parque eólico es de 5 a 9 diámetros de rotor en la dirección de los vientos dominantes, y de 3 a 5 diámetros de rotor en la dirección perpendicular a los vientos dominantes. Con estas consideraciones, la pérdida de potencia por apantallamiento entre aerogeneradores suele tener un valor alrededor de un 5% Características del viento en el mar Las superficies de mares y lagos son obviamente muy lisas, por lo que la rugosidad de la superficie marina es muy baja (a velocidades del viento constantes). Con velocidades de viento crecientes, parte de la energía se emplea en producir oleaje, lo que implica un aumento de la rugosidad. Una vez se han formado las olas, la rugosidad decrece de nuevo. Por tanto se tiene una superficie de rugosidad variable. Sin embargo, si se garantiza, puede considerarse que la rugosidad de la superficie del agua es muy baja y que los obstáculos del viento son pocos. Al realizar los cálculos deberán tenerse en cuenta islas, faros Con una baja rugosidad, el cizallamiento del viento en el mar es también muy bajo, lo que implica que la velocidad del viento no experimenta grandes cambios al variar la altura del buje del aerogenerador. Así pues, puede resultar más económico utilizar torres más bien bajas, de alrededor de 0,75 veces la altura de las empleadas en tierra. Máquinas hidráulicas Página 32

37 El viento en el mar es generalmente menos turbulento que en tierra, por lo que de un aerogenerador situado en el mar se puede esperar un tiempo de vida mayor que en otro situado en tierra. La baja turbulencia del mar se debe, ante todo, al hecho de que las diferencias de temperatura a desiguales altitudes de la atmósfera que hay sobre el mar son inferiores a las que existen sobre tierra. La radiación solar puede penetrar varios metros bajo el mar mientras que en tierra sólo calienta la capa superior del suelo, que llega a estar mucho más caliente. Consecuentemente, las diferencias de temperatura entre la superficie y el aire serán menores sobre el mar que sobre la tierra. Esto es lo que provoca que la turbulencia sea menor. Resultados experimentales indican que los efectos del abrigo del viento desde tierra pueden ser más importantes de lo que en un principio se había pensado, incluso a distancias de 20 km. Por otro lado, parece que los recursos pueden ser del 5 al 10% superiores a los estimados en un principio Evaluación de los recursos eólicos Como ya es sabido la potencia eólica varia con el cubo de la velocidad del viento. Es por eso que pequeñas variaciones en la velocidad producen grandes variaciones en el valor económico de un parque. Ahí radica la importancia de la evaluación lo más exacta posible de los recursos eólicos de un parque. Una vez que la velocidad del viento en el emplazamiento ha sido estimada, es de vital importancia hacer una estimación precisa y fiable de la potencia del parque que se va a construir. Esto requiere modelizar el parque y detallar las restricciones propias y del medio. La figura siguiente muestra todo el proceso a seguir para evaluar los recursos eólicos de un parque eólico. Máquinas hidráulicas Página 33

38 Fig. 23 Proceso de predicción de energía de un parque eólico Máquinas hidráulicas Página 34

39 La manera más precisa de evaluar la velocidad del viento es tomando datos con un anemómetro. Éste suele ir dotado además de una veleta para registrar la dirección del viento. Existen varios tipos de anemómetros, los más comunes son los de cazoletas, pero no son recomendables en este caso por su falta de precisión. Por eso se suelen utilizar anemómetros de ultrasonidos, láser o hilo electrocalentado. La toma de medidas se suele hacer cada diez minutos. Los datos quedan almacenados electrónicamente en un registrador de datos (data logger) alimentado con una batería. Cada cierto tiempo es necesario descargar esos datos, generalmente se recoge el chip y se monta uno virgen. Los anemómetros se sitúan en la parte superior de un mástil cilíndrico para minimizar las perturbaciones de las corrientes de aire creadas por el propio mástil. La mejor opción es situar el anemómetro a la misma altura que la del buje del futuro aerogenerador. Sin embargo, en muchas ocasiones, se sitúan a una altura inferior y se recalculan las velocidades a la altura deseada. Fig. 24 Anemómetro y data logger. Máquinas hidráulicas Página 35

40 A mayor escala, la velocidad del viento puede ser modelada usando programas de ordenador (WASP) que describen los efectos sobre el viento de parámetros como la altura, topografía y superficie terrestre. Para su uso es preciso conocer valores de la localización, generalmente proporcionados por estaciones metereológicas. Típicamente estos programas generan unas curvas de superficie de velocidades del viento llamadas Atlas del viento. Estos atlas representan la mejor estimación de un viento en una región grande, sin embargo, sólo deben servir para focalizar las investigaciones e indicar los emplazamientos donde se deberían hacer medidas. A continuación se muestran diferentes mapas eólicos tanto a nivel mundial, como europeo y nacional: Fig. 25 : Velocidad media mundial a 10 metros de altura para el periodo Máquinas hidráulicas Página 36

41 Fig. 26 : Mapa eólico onshore de Europa Máquinas hidráulicas Página 37

42 Fig. 27 :Mapa eólico offshore de Europa Máquinas hidráulicas Página 38

43 Como ya se ha comentado estos mapas son sólo orientativos, ya que, en general, los efectos locales suelen ser más importantes. Por tanto la elección entre un parque onshore o offshore debe estar basado en estudios más precisos. Como ejemplo, en Gran Bretaña, Italia o Grecia la velocidad del viento en los terrenos ondulantes es algo mayor por efecto colina que a 5 km mar adentro. Sin embargo, en Holanda y Dinamarca, donde la presión es más aguda y no existen otros efectos, la velocidad offshore es mayor que en tierra. Volviendo a la evaluación energética de un parque es necesario conocer las variaciones de la velocidad, tanto para el diseño de los aerogeneradores como para minimizar los costes de generación. Si se miden las velocidades del viento a lo largo de un año se observa que en la mayoría de áreas los fuertes vendavales son raros, mientras que los vientos frescos y moderados son bastante comunes. La variación del viento en un emplazamiento típico suele describirse utilizando la distribución de Weibull, como la mostrada en el figura siguiente. Este emplazamiento particular tiene una velocidad media del viento de 7 m/s y mediana 6,6 m/s, y la forma de la curva está determinada por un parámetro de forma de 2. Fig. 28 : Distribución de Weibull Máquinas hidráulicas Página 39

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