ENERGÍA EÓLICA TECNOLOGÍA INDUSRIAL I
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- Valentín Fuentes Carmona
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1 ENERGÍA EÓLICA TECNOLOGÍA INDUSRIAL I
2 INTRODUCCIÓN Se denomina energía eólica a la que se obtiene por aprovechamiento de la energía cinética del viento. Como en otros casos, su origen es el Sol, que se calienta de forma irregular, el aire de la atmósfera que hace que la temperatura varíe según zonas. Desplazamientos de las masas de aire caliente hacia zonas más altas, desplazando el aire frío hacia las más bajas Ejemplos de aprovechamiento: molinos de viento, navegación a vela, etc. Para aprovechar el viento al máximo hay que hacer un estudio del viento en las diferentes zonas, variando según estas o si es de día o de noche, de la estación del año etc. Este estudio se refleja en los mapas eólicos que señalan los mejores puntos para ubicar las centrales eólicas (características del viento). Las centrales eólicas son aquellas instalaciones capaces de transformar la energía eólica en energía eléctrica. Las máquinas eólicas que realizan la transformación de energía cinética en mecánica o eléctrica se denominan aerogeneradores, turbinas eólicas o aeroturbinas. Las máquinas eólicas se clasifican en dos grandes grupos: los aerogeneradores de eje horizontal y los de eje vertical.
3 CARACTERÍSTICAS DEL VIENTO Velocidad.- Es el más importante. La potencia suministrada por el viento es proporcional al cubo de la velocidad de este. Continuidad.- Zonas donde sople el viento de manera continua. Estabilidad.- Zonas donde los vientos no tengan turbulencias, rachas, etc. Densidad de potencia.- Máxima potencia que puede obtenerse por unidad de área barrido. Para instalar un parque eólico hace falta que en la zona se pueda obtener una mínima densidad de potencia. Visión general
4 CÁLCULO DE LA DENSIDAD DE POTENCIA: Supongamos la masa de aire que atraviesa un cilindro m = V d, la densidad del aire es d = 1,293 kg/m 3. El volumen es V = S l; luego m = V d = S l d. La energía cinética del aire al desplazarse de un lugar a otro es: Ec = ½ m v 2 = ½ S l d v 2. La potencia P = ½ S l d v 2 /t o lo que lo mismo P = ½ S d v 3 = 0,65 S v 3 Pero como toda la energía que incide sobre la hélice, no se puede aprovechar al 100% (el aire sale con una velocidad de 1/3 de la velocidad que llega). El coeficiente de aprovechamiento será (2/3) 3 que es aproximadamente el 30% P = 0,65 * S * 0,3 * v 3 = 0, 2 S v 3 Podemos tomar 0,30 como coeficiente de aprovechamiento máximo La densidad de la potencia del aire o potencia por unidad de superficie δ = P/S = 0,2 v 3 Ejemplo: la densidad de potencia de un viento de 10 m/s es: δ = P/S = 0,2 * 10 3 = 200 (w/m 2 )
5 POTENCIA ÚTIL DE LOS AEROGENERADORES Si partimos de una densidad de potencia eólica, que puede aprovechar una máquina eólica: δ = P/S = 0,2 v 3 La potencia útil eléctrica que nos puede proporcionar un aerogenerador (por las perdidas de la caja reductora y generador ) será: P u = 0,2 S v 3
6 TIPOS DE MÁQUINAS EÓLICAS LAS DE EJE HORIZOLTAL: son los más habituales y estos a su vez se dividen en otros dos grupos: a) Los de potencias bajas o medias (hasta 50 kw). Con un número alto de aspas o palas, pueden llegar a 36. Se utilizan para bombear agua o generar electricidad. Ejemplos, el molino americano, el multipala o el rotor a sotavento. Puede tener hasta 6-8 m de diámetro. Son lentos. Giran con brisas muy suaves. Tienen un buen rendimiento. b) Los de potencias altas (más de 50 kw). Sus hélices son de dos o tres palas. Tienen perfiles aerodinámicos como los de aviación. Necesitan vientos superiores a los anteriores. Comienzan a funcionar a partir de los 3,5 m/s. A los 11 m/s desarrollan la potencia máxima y a partir de los 25 m/s se frenan. Tienen un gran rendimiento. Se usan para producir electricidad directamente en el generador o mediante un multiplicador de velocidad. Constituyen varios juntos un parque eólico. La corriente se suministra directamente a la red.
7 LOS ELEMENTOS PRINCIPALES DE LAS MÁQUINAS EÓLICAS La hélice.- Constituida por varias palas, según el tipo. Suelen ser de materiales ligeros (modernos fibra de vidrio o de carbono). Su misión es hacer girar al eje al que están unido (su velocidad de giro entre 13 y 20 rpm). La navecilla o góndola. Donde están situados, la caja multiplicadora (si la tiene) y el generador (alternador), que transforma la energía cinética de rotación en eléctrica. Dispone del sistema de orientación (en las modernas controlado con microprocesadores) y frenado. La torre. Es el soporte de la hélice y la navecilla. Dispone de la carga de frenado y las tomas de corriente, incluso de la toma de tierra. Esta diseñada para absorber vibraciones. Los aerogeneradores permiten transformar una parte de la energía del viento en energía mecánica de rotación, El porcentaje total de aprovechamiento varía en función do del tipo de aerogenerador y del diseño de las hélices. La corriente generada si queremos conectarla a la red, debe tener 50 Hz. Esto obliga a que el generador de un número de vueltas determinado y sin variaciones (fijo).
8 PROBLEMAS QUE CONDICIONAN EL RENDIMIENTO DE UN AEROGENERADOR Además del diseño de las hélices hay dos problemas que condicionan el rendimiento, que son la orientación y la velocidad de giro del rotor. a) ORIENTACIÓN.- La hélice tiene que estar colocada de manera que el viento incida perpendicularmente sobre la superficie del disco que forman las palas, para el máximo rendimiento del rodete. Esto se consigue de varias formas: Con veletas. Se colocan en el extremo posterior del eje de la turbina y permiten la orientación. Máquinas autorientables. Se sitúa la hélice detrás de la carcasa de la navecilla o góndola y se consigue orientar sola. Motores. Alinear la hélice ayudándonos de un sistema mecánico (servomecanismo) accionado por un microprocesador que recibe información de una veleta auxiliar. Solo se utiliza para máquinas de gran potencia.
9 PROBLEMAS QUE CONDICIONAN EL RENDIMIENTO DE UN AEROGENERADOR b) VELOCIDAD DE GIRO DEL MOTOR. El generador eléctrico debe de funcionar a gran velocidad y de forma constante (aprox rpm). Para ello (en las máquinas de alta potencia) se intercala entre la turbina y el generador un tren de engranajes que multiplique la velocidad. Pero puede ocurrir que se sobrepase la velocidad en ciertos momentos y producir sobrecargas en el eje, para evitar esto se puede hacer varias cosas: 1.- En las máquinas de palas fijas, se gira el plano de la hélice para que el viento no incida perpendicularmente. 2.- En máquinas de palas móviles, girando las palas o las puntas de estas para que el ángulo de incidencia del viento no sea el óptimo. Esto se consigue mediante procedimientos mecánicos relacionados con la velocidad del eje. Contrapesos y fuerza centrífuga, palancas, etc. 3.- En algunos casos el frenado se produce mediante un disco de fricción situado en el eje entre la hélice y el generador y que entra en funcionamiento por la acción de la fuerza centrífuga.
10 TIPOS DE MÁQUINAS EÓLICAS LOS DE EJE VERTICAL.- Aprovechan los vientos de cualquier dirección sin tener que orientarse. Prácticamente se sitúan a ras de suelo. El inicio del movimiento se realiza con muy poca velocidad del viento puesto que su par de arranque proporcionado es grande. Su desarrollo tecnológico está poco avanzado pero de futuro prometedor. Por cuestiones de simetría se orientan solos. Menos problemas de resistencias y de vibraciones estructurales. En la actualidad se utilizan para producir bajas potencias. Los tipos más importantes son:
11 ANÉMOMETRO *Anemómetro: Cazoletas esféricas o cilíndricas. Rendimientos bajos. Pueden utilizarse para medir la velocidad del viento. ANEMÓMETRO VÍDEO
12 SAVONIUS *Aeroturbina Savonius: Son dos semicilindros iguales colocados descentrados. GENERADOR SAVONIUS VÍDEO GENERADOR GIROMILL VÍDEO
13 DARRIUS *Aeroturbina Darrius: Palas de perfil biconvexo unidas las unas con las otras. DARRIUS VÍDEO DARRIUS _SAVONIUS VÍDEO
14 TIPOS DE MOLINOS DE VIENTO
15 EJEMPLO REAL DE PARQUE EÓLICO Aunque en principio solamente se consideraba rentable instalar parques eólicos en zonas donde la densidad de potencia fuera igual o superior a 1000 w/m 2, en la actualidad debido a los nuevos materiales utilizados y como consecuencia el aumento del diámetro de la hélice, se montan parques en lugares donde la densidad es considerablemente menor. PARQUE EÓLICO TIPO DE LA ZONA DE LA RIBERA (MONTES DEL CIERZO) Número total de aerogeneradores...85 Potencia unitaria máxima generada... kw Potencia total instalada máxima... Mw Altura de las torres m (45-55 m) Diámetro de la hélice m (42-48 m) Velocidad media anual del viento... 10,15 m/sg Altitud m Producción... Gw * h Tiempo días/año. 15 h/día GRANDES PARQUES EÓLICOS
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