PROYECTO DE UN PARQUE EÓLICO

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1 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA PROYECTO DE UN PARQUE EÓLICO AUTOR: Alberto Molinero Benítez MADRID, Junio 2009

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3 ESTE PROYECTO CONTIENE LOS SIGUIENTES DOCUMENTOS DOCUMENTO Nº1, 1.1 Memoria pág. 9 a 97 páginas 1.2 Cálculos pág. 98 a 128 páginas 1.3 Estudio Económico pág. 129 a 142 páginas 1.4 Anejos pág. 143 a 166 páginas DOCUMENTO Nº2, PLANOS 2.1 Lista de planos pág. 169 a 170 páginas 2.2 Planos pág. 171 a 183 páginas DOCUMENTO Nº3, PLIEGO DE CONDICIONES 3.1 Generales y Económicas pág. 186 a 197 páginas 3.2 Técnicas y Particulares pág. 198 a 267 páginas DOCUMENTO Nº4, PRESUPUESTO 4.1 Presupuesto Aerogenerador pág. 269 a 270 páginas 4.2 Presupuesto de Obra Civil pág. 271 a 277 páginas 4.3 Presupuesto de Obra Eléctrica pág. 278 a 302 páginas 4.4 Presupuesto General pág. 303 a 304 páginas

4 Autorizada la entrega del proyecto del alumno/a: Alberto Molinero Benítez. EL DIRECTOR DEL PROYECTO Carlos Castejón de Castro Fdo.: Fecha: / / Vº Bº del Coordinador de Proyectos Jose Ignacio Linares Hurtado Fdo.: Fecha: / /

5 DESCRIPTIVA 1. 7

6 DESCRIPTIVA ÍNDICE GENERAL DE LA Pág 1. Memoria Descriptiva [9-97] 2. Cálculos Justificativos [98-128] 3. Estudio Económico [ ] 4. Anexos [ ] 8

7 DESCRIPTIVA 1.1. DESCRIPTIVA 9

8 DESCRIPTIVA ÍNDICE DE LA DESCRIPTIVA Pág Descripción general del proyecto Aprovechamiento del recurso eólico Principios de la energía eólica Emplazamiento del parque Estudio del recurso eólico Selección de aerogeneradores Emplazamiento de los aerogeneradores Cálculo de la producción de energía del parque Aerogeneradores Viales y plataformas Cimentaciones Red de 20 kv Red de comunicaciones y puesta a tierra Centros de transformación Edificio de control Subestación Valor total de ejecución del proyecto 97 10

9 DESCRIPTIVA DESCRIPCION GENERAL DEL PROYECTO Un parque eólico es un conjunto de aerogeneradores que se utilizan para la producción de energía eléctrica a través de la fuerza eólica. Los parques eólicos pueden instalarse, bien en la tierra o en el mar. Las instalaciones más comunes son las que se realizan en tierra, mientras que las segundas se encuentran en una primera fase de explotación). El número de aerogeneradores que componen un parque eólico es muy variable, y depende fundamentalmente de la superficie disponible y de las características del viento en el emplazamiento. Antes de montar un parque eólico se estudia la fuerza eólica en el emplazamiento elegido durante un tiempo que suele ser superior a un año. Para ello se instalan veletas y anemómetros. Con los datos recogidos se traza una rosa de los vientos que indica las direcciones predominantes del viento y su velocidad. La energía que produce un parque eólico está sujeta a diferentes variables. Desde los cambios tecnológicos de los molinos, donde antes las góndolas no cambiaban de dirección en función del viento, hasta la potencia de los mismos aerogeneradores, donde hoy por hoy ya hay aerogeneradores de hasta 5 Mw. 11

10 DESCRIPTIVA El proyecto a desarrollar consiste en la construcción de un parque eólico: la elección del emplazamiento, aerogeneradores, obra civil, obra eléctrica y estudio económico. Mediante un estudio económico garantizaremos la viabilidad del proyecto atendiendo a diferentes criterios de rentabilidad. La electricidad producida por los aerogeneradores se recoge, se mide y es preparada para la distribución a través de las compañías eléctricas. Las compañías eléctricas compran la energía, proporcionando a sus clientes una energía más limpia. Las energías renovables son inagotables, limpias y se pueden utilizar de forma autogestionada, ya que se pueden aprovechar en el mismo lugar en que se producen e incorporando. La maquinaria suministrada e instalada será en su totalidad de la multinacional Gamesa, Corporación Tecnológica dedicada al diseño, fabricación y suministro de productos, instalaciones y servicios avanzados en el sector de las tecnologías para la sostenibilidad energética, especialmente la eólica. A nivel mundial, la actividad de Gamesa abarca: la promoción, diseño, construcción y venta de parques eólicos; la ingeniería, el diseño, la fabricación y la venta de aerogeneradores. 12

11 DESCRIPTIVA APROVECHAMIENTO DEL RECURSO EOLICO Molinos Un molino es una máquina que transforma el viento en energía aprovechable. Esta energía proviene de la acción de la fuerza del viento sobre unas aspas oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de maquinaria para moler grano, bombear agua o generar electricidad. Cuando el eje se conecta a una carga, como una bomba, recibe el nombre de molino de viento. Si se usa para producir electricidad se le denomina generador de turbina de viento. Los primeros molinos Los molinos movidos por el viento tienen un origen remoto. En el siglo VII d.c. ya se utilizaban molinos elementales en Persia (hoy, Irán) para el riego y moler el grano. En estos primeros molinos la rueda que sujetaba las aspas era horizontal y estaba soportada sobre un eje vertical. Estas máquinas no resultaban demasiado eficaces, pero aún así se extendieron por China y el Oriente Próximo. En Europa los primeros molinos aparecieron en el siglo XII en Francia e Inglaterra y se distribuyeron por el continente. Eran unas estructuras de madera, conocidas como torres de molino, que se hacían girar a mano alrededor de un poste central para levantar sus aspas al viento. El molino de torre se desarrolló en Francia a lo largo del siglo XIV. Consistía en una torre de piedra coronada por una estructura rotativa de madera que soportaba el eje del molino y la maquinaria superior del mismo. Estos primeros ejemplares tenían una serie de 13

12 DESCRIPTIVA características comunes. De la parte superior del molino sobresalía un eje horizontal. De este eje partían de cuatro a ocho aspas, con una longitud entre 3 y 9 metros. Las vigas de madera se cubrían con telas o planchas de madera. La energía generada por el giro del eje se transmitía, a través de un sistema de engranajes, a la maquinaria del molino emplazada en la base de la estructura Aerogeneradores La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas opera-trices (molinos), como para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador. La baja densidad energética, de la energía eólica por unidad de superficie, trae como consecuencia la necesidad de proceder a la instalación de un número mayor de máquinas para el aprovechamiento de los recursos disponibles. El ejemplo más típico de una instalación eólica está representado por los "parques eólicos" (varios aerogeneradores implantados en el territorio conectados a una única línea que los conecta a la red eléctrica local o nacional). 14

13 DESCRIPTIVA En estos la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos. En la actualidad, sofisticados molinos de viento se usan para generar electricidad, especialmente en áreas expuestas a vientos frecuentes, como zonas costeras, alturas montañosas o islas. Parque eólico Un parque eólico es una agrupación de aerogeneradores que se utilizan generalmente para la producción de energía eléctrica. Si bien los parques eólicos son relativamente recientes, iniciando a popularizarse en las décadas de los Los parques eólicos se pueden situar en tierra o en el mar (offshore), siendo los primeros los más habituales, aunque los parques offshore han experimentado un crecimiento importante en Europa en los últimos años. El número de aerogeneradores que componen un parque es muy variable, y depende fundamentalmente de la superficie disponible y de las características del viento en el emplazamiento. Antes de montar un parque eólico se estudia el viento en el emplazamiento elegido durante un tiempo que suele ser superior a un año. Para ello se instalan veletas y anemómetros. Con los datos recogidos se traza una rosa de los vientos que indica las direcciones predominantes del viento y su velocidad. 15

14 DESCRIPTIVA Los parques eólicos proporcionan diferente cantidad de energía dependiendo de las diferencias sobre diseño, situación de las turbinas, y por el hecho de que los antiguos diseños de turbinas eran menos eficientes y capaces de adaptarse a los cambios de dirección y velocidad del viento. PARQUES EÓLICOS DEL MUNDO Existe una gran cantidad de aerogeneradores operando, con una capacidad total de MW, de los que Europa cuenta con el 65% (2006). El 90% de los parques eólicos se encuentran en Estados Unidos y Europa, pero el porcentaje de los cincos países punteros en nuevas instalaciones cayó del 71% en 2004 al 55% en Para 2010, la asociación Mundial de Energía Eólica (World Wind Energy Association) espera que hayan instalados MW, lo que implicaría un crecimiento anual más del 15%. En 2006, la instalación de 7,588 MW en Europa supuso un incremento del 23% respecto a la de

15 DESCRIPTIVA Imagen 1: Capacidad eólica mundial total instalada y previsiones Alemania, España, Estados Unidos, India y Dinamarca han realizado las mayores inversiones en generación de energía eólica. Dinamarca es, en términos relativos, la más destacada en cuanto a fabricación y utilización de turbinas eólicas, con el compromiso realizado en los años 1970 de llegar a obtener la mitad de la producción de energía del país mediante el viento. Actualmente genera más del 20% de su electricidad mediante aerogeneradores, mayor porcentaje que cualquier otro país, y es el quinto en producción total de energía eólica, a pesar de ser el país número 56 en cuanto a consumo eléctrico. 17

16 DESCRIPTIVA Tabla 1: Capacidad total de energía eólica instalada (fin de año y últimas estimaciones) Parques eólicos de Europa El desarrollo de los parques eólicos en Europa tiene muy buena aceptación pública. La política seguida por las instituciones gubernamentales europeas ayuda al desarrollo de las energías renovables. El gobierno del Reino Unido, por ejemplo, tiene como objetivo que el 10% de la energía doméstica consumida sea generada por fuentes de energías renovables en

17 DESCRIPTIVA Imagen 2: Parque eólico de Tauern, Alemania Además, Alemania tiene el mayor número de parques eólicos del mundo, así como la mayor turbina de viento construida sobre el mar, y en Escocia se realizará la construcción del parque Whitelee Wind Farm, el mayor de Europa, con 140 aerogeneradores de 2,3 MW cada uno, para una potencia total instalada de 322 MW. España tiene, más o menos, MW de potencia eólica instalada que representa el 9% de la demanda total. Ventominho es el mayor parque eólico de Europa, dispone de 240 MW de potencia y se encuentra en Portugal. Desplaza al parque escocés conocido como Whitelee (209 MW), ocupando Maranchón (208 MW) el tercer lugar, ambos son de Iberdrola. Ventominho cuenta con cinco grupos de aerogeneradores repartidos a lo largo de treinta kilómetros, muy próximos a la frontera con Galicia, que confluyen en un único 19

18 DESCRIPTIVA punto de conexión a red. El conjunto está formado por un total de 120 máquinas de dos megavatios (MW) suministradas por el tecnólogo alemán Enercon. Parques eólicos de Estados Unidos En Estados Unidos se encuentran los parques eólicos más grandes del mundo. El más grande en términos de generación de energía es el Stateline Wind Project (Proyecto de Viento Líneaestatal), en la frontera entre los estados de Oregón y Washington, con una capacidad máxima de 300 MW. Imagen 3: Parque eólico en Tehachapi Pass, California 20

19 DESCRIPTIVA PRINCIPIOS DE LA ENERGÍA EÓLICA La energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, aquella que se obtiene de la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire y así mismo las vibraciones que el aire produce. El término eólico viene del latín Aeolicus, perteneciente o relativo a Éolo o Eolo, dios de los vientos en la mitología griega y, por tanto, perteneciente o relativo al viento. La energía eólica ha sido aprovechada desde la antigüedad para mover los barcos impulsados por velas o hacer funcionar la maquinaria de molinos al mover sus aspas. Es un tipo de energía verde. (Energía verde es un término para describir la energía generada a partir de fuentes de energía primaria respetuosas con el medio ambiente. Las energías verdes son energías renovables que no contaminan, es decir, cuyo modo de obtención o uso no emite subproductos que puedan incidir negativamente en el medio ambiente.) La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión. Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento. De día, las masas de aire sobre los océanos, los mares y los lagos 21

20 DESCRIPTIVA se mantienen frías con relación a las áreas vecinas situadas sobre las masas continentales. Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva. El aire más frío y más pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad máxima del viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima de 12 km/h (3 m/s), y que no supere los 65 km/h (18 m/s). Una energía con ventajas: La energía eólica presenta ventajas frente a otras fuentes energéticas convencionales: Procede indirectamente del sol, que calienta el aire y ocasiona el viento. Se renueva de forma continua. Es inagotable. 22

21 DESCRIPTIVA Es limpia. No contamina. Es autóctona y universal. Existe en todo el mundo. Cada vez es más barata conforme avanza la tecnología. Permite el desarrollo sin expoliar la naturaleza, respetando el medio ambiente. Las instalaciones son fácilmente reversibles. No deja huella. Una energía limpia: La generación de electricidad a partir del viento no produce gases tóxicos, ni contribuye al efecto invernadero, ni a la lluvia ácida. No origina productos secundarios peligrosos ni residuos contaminantes. Cada Kw.h de electricidad, generada por energía eólica en lugar de carbón, evita la emisión de un Kilogramo de dióxido de carbono-co 2 - a la atmósfera. Cada árbol es capaz de absorber 20 Kg de CO 2 ; generar 20 Kilowatios de energía limpia, tiene el mismo efecto, desde el punto de la contaminación atmosférica, que plantar un árbol. Qué ventajas aporta el viento? 1. La electricidad producida por un aerogenerador evita que se quemen diariamente Kg. de lignito negro en una central térmica. 2. Ese mismo generador produce idéntica cantidad de energía eléctrica que la obtenida por quemar diariamente Kg. de petróleo. 3. Al no quemarse esos Kg. de carbón, se evita la emisión de Kg. de CO2, lográndose un efecto similar al producido por 200 árboles. 23

22 DESCRIPTIVA 4. Se impide la emisión de 66 Kg. de dióxido de azufre -SO2-y de 10 Kg de óxido de nitrógeno -NO x -principales causantes de la lluvia ácida. La energía eólica no contamina, frena el agotamiento de combustibles fósiles y contribuye a evitar el cambio climático. 24

23 DESCRIPTIVA EMPLAZAMIENTO DEL PARQUE El parque esta situado en el término municipal de Higueruela, en Albacete, cerca de un pueblo llamado Casas de don Pedro. Se ha elegido este lugar, por que es una zona donde el viento aparece con mucha frecuencia y es bastante regular, dos requisitos fundamentales para construir un parque eólico. Imagen 4: Plano de localización general del pueblo Casas de Don Pedro Las coordenadas del lugar donde se sitúa nuestra finca en concreto son las siguiente: Latitud (39 1' 31.81" N) y Longitud (1 22' 7.99" W) 25

24 DESCRIPTIVA Imagen 5: Situación de las fincas con respecto a Casas de Don Pedro En esta imagen podemos observar la situación de nuestra finca con respecto al pueblo de Casas de Don Pedro, con una escala de 1: De las dos fincas, la nuestra es la superior, a continuación la detallamos. Imagen 6: Detalle de nuestra finca 26

25 DESCRIPTIVA ESTUDIO DEL RECURSO EÓLICO La fuerza de Coriolis Debido a la rotación del globo, cualquier movimiento en el hemisferio norte es desviado hacia la derecha, si se mira desde nuestra posición en el suelo (en el hemisferio sur es desviado hacia la izquierda). Esta aparente fuerza de curvatura es conocida como fuerza de Coriolis (debido al matemático francés Gustave Gaspard Coriolis ). Efectos visibles de la fuerza de Coriolis El ejemplo más nombrado de manifestación del efecto Coriolis se da cuando masas de aire o agua se desplazan siguiendo meridianos terrestres y su trayectoria y velocidad se ven modificadas por él. En efecto, los vientos o corrientes oceánicas que se desplazan siguiendo un meridiano se desvían acelerando en la dirección de giro (Este) si van hacia los polos o al contrario (Oeste) si van hacia el ecuador (en el Hemisferio Norte). La manifestación de estas desviaciones produce, de manera análoga al giro de la bolita mostrado en el ejemplo más arriba, que las borrascas giren en el Hemisferio Sur en el sentido de las agujas del reloj y en el Hemisferio Norte en sentido contrario. El efecto de la fuerza de Coriolis debe ser considerado siempre que se estudie el movimiento de fluidos y también de cualquier objeto móvil, sobre esferas o superficies planas en rotación. Esto incluye los planetas gaseosos del Sistema Solar, el Sol y todas las estrellas y en el planeta Tierra, el movimiento de las aguas de los ríos, lagos, océanos 27

26 DESCRIPTIVA y, por supuesto, de la atmósfera. El efecto de Coriolis predice que siempre que se observen los movimientos giratorios de esos cuerpos, los vórtices seguirán la norma descrita para las borrascas y anticiclones terrestres. Además de su influencia sobre la atmósfera, es muy notoria la que tiene también sobre la circulación oceánica. En las cuencas que tienen la forma apropiada, como (p.e. la cuenca del Atlántico norte y la del Atlántico sur), el efecto Coriolis desvía a las corrientes marinas hacia la derecha en el hemisferio norte y a la izquierda en el hemisferio sur, de la misma manera que sucede con la circulación general de los vientos. Las excepciones o modificaciones de este patrón general de la circulación general de los océanos tienen que ver con la disposición de las costas y la compensación introducida por las corrientes cálidas que van, en los océanos, de las costas orientales de la zona intertropical hacia las occidentales de las zonas templadas de los continentes (Corriente del Golfo y de Kuro Shivo, especialmente). Además, en los océanos, lo mismo que sucede en la atmósfera, se produce una especie de convergencia en las latitudes ecuatoriales por la fuerza centrífuga del movimiento de rotación: tanto el océano como la atmósfera tienen un abombamiento ecuatorial por la rotación terrestre, de varios metros de altura en el caso de los océanos y de varios km en la atmósfera. A su vez, este "abombamiento" ocasiona una especie de obstáculo a la libre circulación e intercambio de energía (oceánica y atmosférica) entre los dos hemisferios. La circulación en la zona ecuatorial es, por lo tanto, de este a oeste, tanto en lo que respecta 28

27 DESCRIPTIVA a las corrientes ecuatoriales del norte y del sur como con respecto a los alisios del noreste en el hemisferio norte y del sureste en el hemisferio sur. Por último, lo que hemos denominado abombamiento ecuatorial de los océanos tiene varias consecuencias, entre ellas, la formación de lo que se ha denominado contracorrientes ecuatoriales también del norte y del sur, definidas e identificadas en muchos atlas y libros de geografía y de ciencias de la Tierra y la desviación hacia las zonas subtropicales y templadas, de nuevo a la derecha en el hemisferio norte y a la izquierda en el hemisferio sur. Cómo influye la rotación de la Tierra en los vientos: Efecto Coriolis La rotación de la Tierra ejerce un efecto sobre los objetos que se mueven sobre su superficie que se llama "Efecto Coriolis". En el Hemisferio Norte este efecto curva su dirección de movimiento hacia la derecha. Cuando un objeto inicia un movimiento apuntando en una dirección en el Hemisferio Norte, sea cual sea esa dirección, la trayectoria real resulta curvada hacia la derecha respecto a la dirección inicial. Esto es debido a que la Tierra gira de Oeste a Este. Cuando se dispara con un cañón de largo alcance, en el momento de apuntar, hay que tener en cuenta este efecto. Con un cañón que alcance 40 km, el punto de impacto se desviará a la derecha de la dirección en que apuntamos. Sin ningún tipo de viento que desvíe la bala, caerá unos cuantos metros a la derecha debido a la rotación de la Tierra. 29

28 DESCRIPTIVA Imagen 7: Aclaración del efecto Coriolis Vientos locales: brisas marinas Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden influir en las direcciones de viento más comunes. Los vientos locales siempre se superponen en los sistemas eólicos a gran escala, esto es, la dirección del viento es influenciada por la suma de los efectos global y local. Cuando los vientos a gran escala son suaves, los vientos locales pueden dominar los regímenes de viento. 30

29 DESCRIPTIVA 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 del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. A menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando las temperaturas del suelo y del mar se igualan. Durante la noche los vientos soplan en sentido contrario. Normalmente durante la noche la brisa terrestre tiene velocidades inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es más pequeña. El conocido monzón del sureste asiático es en realidad un forma a gran escala de la brisa marina y la brisa terrestre, variando su dirección según la estación, debido a que la tierra se calienta o enfría más rápidamente que el mar. Vientos locales: vientos de montaña Un ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al sur (ó en las que dan al norte en el hemisferio sur). 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 ladera. Durante la noche la dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un viento que fluye ladera abajo. Si el fondo del valle está inclinado, el aire puede ascender y descender por el valle; este efecto es conocido como viento de cañón. 31

30 DESCRIPTIVA Los vientos que soplan en las laderas a sotavento pueden ser bastante potentes. Ejemplo de ello son: El Fhon de los Alpes en Europa, el Chinook en las Montañas Rocosas y el Zonda en los Andes. Ejemplos de otros sistemas de viento locales son el Mistral, soplando a lo largo del valle del Rhone hasta el Mar Mediterráneo, y el Sirocco, un viento del sur proveniente del Sahara que sopla hacia el Mar Mediterráneo. La energía en el viento: densidad del aire y área de barrido del rotor Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área de barrido del rotor y de la velocidad del viento. Imagen 8: porción cilíndrica pasa a través del rotor de un aerogenerador 32

31 DESCRIPTIVA Densidad del aire La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen. En otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire más energía recibirá la turbina. A presión atmosférica normal y a 15 C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro cúbico, aunque la densidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad. Además, el aire es más denso cuando hace frío que cuando hace calor. A grandes altitudes (en las montañas) la presión del aire es más baja y el aire es menos denso. Área de barrido del rotor Nuestro aerogenerador, tiene un diámetro de barrido de 80m, lo que supone un área de barrido de 5.027m 2. El área del rotor determina cuanta energía del viento es capaz de capturar una turbina eólica. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor, una turbina que sea dos veces más grande recibirá 2 2 = 2 x 2 = cuatro veces más energía. La potencia producida aumenta con el área de barrido del rotor Cuando un agricultor habla de la extensión de tierra que está cultivando normalmente lo hará en términos de hectáreas o de acres. Lo mismo ocurre con los 33

32 DESCRIPTIVA aerogeneradores, aunque en el caso del cultivo eólico se cultiva un área vertical en lugar de una horizontal. El área del disco cubierto por el rotor (y, por supuesto, las velocidades del viento) determina cuanta energía podemos colectar en un año. El dibujo le dará una idea de los tamaños de rotor normales en aerogeneradores: una típica turbina con un generador eléctrico de 600 kw suele tener un rotor de unos 44 metros. Si dobla el diámetro del rotor, obtendrá un área cuatro veces mayor (dos al cuadrado). Esto significa que también obtendrá del rotor una potencia disponible cuatro veces mayor. Los diámetros de rotor pueden variar algo respecto a las cifras dadas arriba, ya que muchos de los fabricantes optimizan sus máquinas ajustándolas a las condiciones de viento locales: por supuesto, un gran generador requiere más potencia (es decir, vientos fuertes) sólo para poder girar. Por lo tanto, si instala un aerogenerador en un área de vientos suaves realmente maximizará la producción anual utilizando un generador bastante pequeño para un tamaño de rotor determinado (o un tamaño de rotor más grande para un generador dado). Para una máquina de 600 kw, los tamaños de rotor pueden variar entre 39 a 48 m. La razón por la que, en zonas de vientos suaves, se puede obtener una mayor producción de un generador relativamente más pequeño es que la turbina estará funcionando durante más horas a lo largo del año. 34

33 DESCRIPTIVA Imagen 9: La potencia producida aumenta con el área de barrido del rotor Razones para elegir grandes turbinas 1. Existen economías de escala en las turbinas eólicas, es decir, las máquinas más grandes son capaces de suministrar electricidad a un coste más bajo que las máquinas más pequeñas. La razón es que los costes de las cimentaciones, la construcción de carreteras, la conexión a la red eléctrica, además de otros componentes en la turbina (el sistema de control electrónico, etc.), son más o menos independientes del tamaño de la máquina. 2. Las máquinas más grandes están particularmente bien adaptadas para la energía eólica en el mar. Los costes de las cimentaciones no crecen en proporción con el tamaño de la máquina, y los costes de mantenimiento son ampliamente independientes del tamaño de la máquina. 35

34 DESCRIPTIVA 3. En áreas en las que resulta difícil encontrar emplazamientos para más de una única turbina, una gran turbina con una torre alta utiliza los recursos eólicos existentes de manera más eficiente. Razones para elegir turbinas más pequeñas 1. La red eléctrica local puede ser demasiado débil para manipular la producción de energía de una gran máquina. Este puede ser el caso de las partes remotas de la red eléctrica, con una baja densidad de población y poco consumo de electricidad en el área. 2. Hay menos fluctuación en la electricidad de salida de un parque eólico compuesto de varias máquinas pequeñas, pues las fluctuaciones de viento raras veces ocurren y, por lo tanto, tienden a cancelarse. Una vez más, las máquinas más pequeñas pueden ser una ventaja en una red eléctrica débil. 3. El coste de usar grandes grúas, y de construir carreteras lo suficientemente fuertes para transportar los componentes de la turbina, puede hacer que en algunas áreas las máquinas más pequeñas resulten más económicas. 4. Con varias máquinas más pequeñas el riesgo se reparte, en caso de fallo temporal de la máquina (p.ej. si cae un rayo). 36

35 DESCRIPTIVA 5. Consideraciones estéticas en relación al paisaje pueden a veces imponer el uso de máquinas más pequeñas. Sin embargo, las máquinas más grandes suelen tener una velocidad de rotación más pequeña, lo que significa que realmente una máquina grande no llama tanto la atención como muchos rotores pequeños moviéndose rápidamente. Los aerogeneradores desvían el viento En realidad, un aerogenerador desviará el viento antes incluso de que el viento llegue al plano del rotor. Esto significa que nunca seremos capaces de capturar toda la energía que hay en el viento utilizando un aerogenerador. En la imagen de arriba tenemos el viento que viene desde la derecha y usamos un mecanismo para capturar parte de la energía cinética que posee el viento (en este caso usamos un rotor de tres palas, aunque podría haberse tratado de cualquier otro mecanismo El rotor de la turbina eólica debe obviamente frenar el viento cuando captura su energía cinética y la convierte en energía rotacional. Esto implica que el viento se moverá más lentamente en la parte izquierda del rotor que en la parte derecha. Dado que la cantidad de aire que pasa a través del área barrida por el rotor desde la derecha (por segundo) debe ser igual a la que abandona el área del rotor por la izquierda, el aire ocupará una mayor sección transversal (diámetro) detrás del plano del rotor. 37

36 DESCRIPTIVA Este efecto puede apreciarse en la imagen superior, donde se muestra un tubo imaginario, el llamado tubo de corriente, alrededor del rotor de la turbina eólica. El tubo de corriente muestra cómo el viento moviéndose lentamente hacia la izquierda ocupará un gran volumen en la parte posterior del rotor. Imagen 10: desvío del viento en el aerogenerador El viento no será frenado hasta su velocidad final inmediatamente detrás del plano del rotor. La ralentización se producirá gradualmente en la parte posterior del rotor hasta que la velocidad llegue a ser prácticamente constante. Medición de la velocidad del viento: anemómetros Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmente usando un anemómetro de cazoletas, similar al del dibujo de la derecha. El anemómetro de cazoletas tiene un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El número de 38

37 DESCRIPTIVA revoluciones por segundo son registradas electrónicamente. Normalmente, el anemómetro está provisto de una veleta para detectar la dirección del viento. En lugar de cazoletas el anemómetro puede estar equipado con hélices, aunque no es lo habitual. Imagen 11: Funcionamiento del anemómetro. Otros tipos de anemómetros incluyen ultrasonidos o anemómetros provistos de láser que detectan el desfase del sonido o la luz coherente reflejada por las moléculas de aire. Los anemómetros de hilo electro-calentado detectan la velocidad del viento mediante pequeñas diferencias de temperatura entre los cables situados en el viento y en la sombra del viento (cara a sotavento). 39

38 DESCRIPTIVA La ventaja de los anemómetros no mecánicos es que son menos sensibles a la formación de hielo. Sin embargo en la práctica los anemómetros de cazoletas son ampliamente utilizados, y modelos especiales con ejes y cazoletas eléctricamente calentados pueden ser usados en las zonas árticas. Mediciones de la velocidad del viento en la práctica La mejor forma de medir la velocidad del viento en una futura localización de una turbina eólica es situar un anemómetro en el extremo superior de un mástil que tenga la misma altura que la altura de buje esperada de la turbina que se va a utilizar. Esto evita la incertidumbre que conlleva el recalcular la velocidad del viento a una altura diferente. Imagen 12: Mástil Televes 10m para anemómetros 40

39 DESCRIPTIVA Colocando el anemómetro en la parte superior del mástil se minimizan las perturbaciones de las corrientes de aire creadas por el propio mástil. Si el anemómetro está situado en la parte lateral del mástil es fundamental enfocarlos en la dirección de viento dominante para minimizar el abrigo del viento de la torre. Qué mástil elegir? Para evitar el abrigo de viento, en lugar de utilizar torres de celosía, normalmente se utilizan postes cilíndricos delgados, tensados con vientos, en los que se colocan los mecanismos de medición del viento. Los postes son suministrados en kits de fácil ensamblaje, por lo que se puede instalar un mástil para mediciones de viento en la altura del buje de una (futura) turbina sin necesidad de una grúa. El registrador de datos ('data-logger') Los datos de las velocidades y direcciones de los viento obtenidos por el anemómetro son recogidos en un chip electrónico en una pequeña computadora, el registrador de datos ('data-logger'), que puede funcionar con batería durante un largo período de tiempo. La fotografía muestra un ejemplo de un registrador de datos. Es posible que una vez al mes sea necesario ir hasta el registrador a recoger el chip y remplazarlo por otro 41

40 DESCRIPTIVA virgen que recoja los datos del mes siguiente (cuidado: el error más común de la gente que realiza mediciones de viento es mezclar los chips y volver de nuevo con el chip virgen). Medias de 10 minutos. Las velocidades del viento son medidas en medias de 10 minutos para que sea compatible con la mayoría de programas estándar (y con la bibliografía sobre el tema). Los resultados en las velocidades del viento son diferentes si se utilizan diferentes periodos de tiempo para calcular las medias, como se verá posteriormente Rosa de los vientos Para mostrar la información sobre las distribuciones de velocidades del viento y la frecuencia de variación de las direcciones del viento, puede dibujarse la llamada rosa de los vientos basándose en observaciones meteorológicas de las velocidades y direcciones del viento. f*v^3 ONO O NNO NO N NNE NE ENE E OSO SO SSO S ESE SE SSE Gráfica 1: Rosa de los vientos 42

41 DESCRIPTIVA La rosa esta dividida en dieciséis sectores, cada uno indicando una dirección del viento. En este caso podemos ver que la dirección de viento dominante es la Suroeste. Un vistazo a la rosa de los vientos es extremadamente útil para situar aerogeneradores. Si una gran parte de la energía del viento viene de una dirección particular, lo que deseará, cuando coloque una turbina eólica en el paisaje, será tener la menor cantidad de obstáculos posibles en esa dirección, así como un terreno lo más liso posible. Sin embargo los modelos eólicos 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. Los proyectistas de grandes parque eólicos cuentan normalmente con un año de medidas locales y utilizan observaciones meteorológicas a largo plazo de las estaciones climáticas cercanas para ajustar sus medidas y obtener así una media a largo plazo fiable. Se aprecia perfectamente a través de los gráficos el sentido predominante del viento. En este caso los vientos predominantes provienen principalmente sur suroeste, estando estos vientos enfrentados. Es natural, por tanto, que las hileras de aerogeneradores estén posicionadas de forma perpendicular a la misma dirección marcada por el viento predominante para el mayor aprovechamiento de éste. Los 43

42 DESCRIPTIVA molinos tendrán sus palas totalmente enfrentadas al viento, de forma que los dos vientos predominantes sean máximamente explotados. La potencia del viento: cubo de la velocidad del viento La velocidad del viento es muy importante para la cantidad de energía que un aerogenerador puede transformar en electricidad: la cantidad de energía que posee el viento varía con el cubo (la tercera potencia) de la velocidad media del viento; por ejemplo, si la velocidad del viento es 1, y esta se duplica, la cantidad de energía será: La potencia será ocho veces mayor. 3 = 8 Ahora bien, Por qué la energía que contiene el viento varía con la tercera potencia de su velocidad? Seguramente, del saber de cada día, usted estará enterado de que al doblar la velocidad de un coche la energía de frenado para pararlo completamente será cuatro veces mayor (se trata básicamente de la segunda ley de Newton de la cinemática). En el caso de turbinas eólicas usamos la energía de frenado del viento, por lo que si doblamos la velocidad del viento tendremos dos veces más porciones cilíndricas de viento moviéndose a través del rotor cada segundo, y cada una de esas porciones 44

43 DESCRIPTIVA contiene cuatro veces más energía, como se ha visto en el ejemplo del frenado de un coche. Gráfica 2: Potencia por Superficie vs Velocidad El gráfico muestra que con una velocidad del viento de 8metros por segundo obtenemos una potencia (cantidad de energía por segundo) de 314 W por cada metro cuadrado expuesto al viento (viento incidiendo perpendicularmente al área barrida por el rotor). A 16 m/s obtendremos una potencia ocho veces mayor, esto es, 2.509W/m 2. La tabla de la sección manual de referencia proporciona la potencia por metro cuadrado de superficie expuesta al viento para diferentes velocidades del viento. 45

44 DESCRIPTIVA Descripción de las variaciones del viento: distribución de Weibull Para la industria eólica es muy importante ser capaz de describir la variación de las velocidades del viento. Los proyectistas de turbinas necesitan la información para optimizar el diseño de sus aerogeneradores, así como para minimizar los costes de generación. Los inversores necesitan la información para estimar sus ingresos por producción de electricidad. Si mide las velocidades del viento a lo largo de un año observará 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 llamada Distribución de Weibull. Descripción estadística de las velocidades del viento La gente que esté familiarizada con la estadística se dará cuenta de que el gráfico muestra una distribución de probabilidad. El área bajo la curva siempre vale exactamente 1, ya que la probabilidad de que el viento sople a cualquiera de las velocidades, incluyendo el cero, debe ser del 100 por cien. 46

45 DESCRIPTIVA Como podrá observar, la distribución de las velocidades del viento es sesgada, es decir, no es simétrica. A veces tendrá velocidades de viento muy altas, pero son muy raras. Por otro lado, las velocidades del viento de 8,9 m/s son las más comunes. Los 8,9 metros por segundo es el llamado valor modal de la distribución. Si multiplicamos cada diminuto intervalo de la velocidad del viento por la probabilidad de tener esa velocidad particular, y los sumamos todos, obtenemos la velocidad del viento media. La distribución estadística de las velocidades del viento varía de un lugar a otro del globo, dependiendo de las condiciones climáticas locales, del paisaje y de su superficie. Por lo tanto, la Distribución de Weibull puede variar tanto en la forma como en el valor medio. 47

46 DESCRIPTIVA SELECCIÓN DE LOS AEROGENERADORES Los aerogeneradores instalados en el parque en estudio serán suministrados por la multinacional Gamesa. El aerogenerador más adecuado para una mejor productividad y que más se acerca a un mayor rendimiento de la maquinaria es el modelo Gamesa G80 2.0MW, con un precio estimado de 1 millón dos cientos mil euros. Aunque por sus características técnicas, presentadas a continuación, es un modelo más costoso económicamente permitirá minimizar el coste de energía producida mediante la utilización de equipos y utillaje de transporte e instalación similares a los utilizados para equipos de menor tamaño. Al ser de un mayor tamaño, la distancia entre molinos será también mayor, y por tanto, el número de aerogeneradores instalados en el parque será también menor. Se presentan a continuación las características técnicas generales de los aerogeneradores Gamesa G80 2.0MW. (catálogo completo en anexos) 48

47 DESCRIPTIVA Para la elección de la altura de los aerogeneradores, se elaborará un estudio sobre la rentabilidad de elevar la altura de las secciones tubulares con respecto al coste que esto supondría. Las velocidades de viento medias suelen obtenerse a partir de datos meteorológicos medidos a una altura de 10metros. Sin embargo, las alturas del buje de los aerogeneradores modernos de 850kW a 2000kW son normalmente entre 40 y 100metros. La hoja de cálculo hallará las velocidades de viento medias a diferentes alturas y con una rugosidad del terreno igual a α=0,15 en el caso de Casas de don Pedro. El término longitud de rugosidad es en realidad la distancia sobre el nivel del suelo a la que teóricamente la velocidad del viento debería ser nula. A una gran altura de la superficie del suelo, alrededor de un kilómetro, la superficie terrestre apenas ejerce influencia alguna sobre el viento. Sin embargo, en las capas más bajas de la atmósfera, las velocidades del viento se ven afectadas por la fricción con la superficie terrestre. En la industria eólica se distingue entre rugosidad del terreno, la influencia de los obstáculos, y la influencia del contorno del terreno, también llamada orografía del área. Trataremos de la orografía cuando investigamos los llamados efectos aceleradores, a saber, el efecto túnel y el efecto de la colina. 49

48 DESCRIPTIVA En general, cuanto más pronunciada sea la rugosidad del terreno mayor será la ralentización que experimente el viento. Obviamente, los bosques y las grandes ciudades ralentizan mucho el viento, mientras que las pistas de hormigón de los aeropuertos sólo lo ralentizan ligeramente. Las superficies de agua son incluso más lisas que las pistas de hormigón, y tendrán por tanto menos influencia sobre el viento, mientras que la hierba alta y los arbustos ralentizan el viento de forma considerable. Es posible hacer un cálculo de la velocidad de los vientos para las tres alturas de torre disponibles mediante la siguiente formulación. V V α h = m h o Siendo: V: Velocidad del viento a la altura indicada. V m : Velocidad del viento a la altura de la torre meteorológica. h: Altura de la torre meteorológica. (10metros) h o : Altura a la cual se calcula la velocidad del viento. 60, 67, 78,100metros. α: Factor de rugosidad o de fricción, explicado a continuación. 50

49 DESCRIPTIVA De esta forma se conocen las velocidades de los vientos a las diferentes alturas. Planteando la ecuación anterior y con la V como única incógnita se ha llegado a solución de que la altura más rentable es la de 100metros. 51

50 DESCRIPTIVA EMPLAZAMIENTO DE LOS AEROGENERADORES Para el emplazamiento de los aerogeneradores se ha utilizado la denominada Rosa de los Vientos anteriormente explicada. Después de un año de estudio se ha obtenido la siguiente tabla, en la que describe la frecuencia del viento y la velocidad de este en las siguientes direcciones. Orientación f v N 5,05 5,5 NNE 5,88 6,885 NE 8,245 7,22 ENE 7,65 7,118 E 7,931 7,703 ESE 7,623 6,049 SE 7,644 6,042 SSE 8,058 5,702 S 9,568 5,675 SSO 11,781 7,13 SO 14,065 7,039 OSO 14,065 6,599 O 6,633 6,635 ONO 5,508 5,76 NO 4,264 5,878 NNO 6,7 5,733 Tabla 2: vientos según direcciones 52

51 DESCRIPTIVA f*v^3 ONO O NNO NO N NNE NE ENE E OSO SO SSO S ESE SE SSE Gráfica 2: Rosa de los vientos Se puede observar que en la dirección SO la velocidad y la fuerza del viento son mayores que en las demás direcciones. Este es el primer criterio que seguiremos a la hora de elegir el emplazamiento de los aerogeneradores y su dirección. Una vez hecho el estudio del viento en la zona, comenzaremos a colocar los aerogeneradores perpendicularmente a la dirección más favorable, en este caso la SO. Así pues el emplazamiento de los aerogeneradores, tras un estudio exhaustivo de los vientos, es inmediato. La colocación debe ser en filas perpendiculares a las direcciones predominantes, de forma que el aprovechamiento sea máximo. El espacio entre filas será de un mínimo necesario para evitar casos de posibles turbulencias y que el viento entre limpio y con la potencia máxima disponible en el siguiente molino. Esta distancia entre filas corresponderá al equivalente a 10 veces el diámetro del molino (800metros). La distancia entre molinos equivaldrá a 3 veces el diámetro del molino (240metros), estando colocados al tresbolillo, esto es con una disposición 53

52 DESCRIPTIVA irregular entre filas, coincidiendo un molino de una fila con un espacio sin molino en la fila inmediata detrás de ella. De este modo el espacio real entre filas de molinos inmediatamente anteriores o posteriores aumenta al doble de la distancia entre filas de 10 diámetros. Imagen 13: Posicionamiento de los molinos Se procederá a colocar tantos molinos como sea posible, para aumentar la rentabilidad del parque, mediante la explotación de todas las zonas permisibles de la misma, a su máximo exponente. Así, pues, habrá que tener en cuenta una disposición determinada y un número máximo de molinos para esa disposición, dentro de unos márgenes, pues habrá que respetar ciertas distancias de seguridad por normativa establecida. Así, la normativa establece que la distancia de seguridad mínima hacia cualquier núcleo urbano o líneas de alta tensión debe ser de 300metros. En el caso de las líneas de alta tensión la distancia cumplimentará la mitad de 100metros por cada lado. Será posible disminuir o aumentar ligeramente las distancias (dentro de un margen) en el posible incidente de que un punto de emplazamiento de aerogenerador coincida con las 54

53 DESCRIPTIVA distancia de seguridad mínimas exigidas, siendo la pérdida de un molino una baja importante. Imagen14: Perímetro de seguridad de 300 metros del núcleo urbano Casa de la Zorra La línea casi no nos molesta, salvo en la esquina sur-este de nuestra finca, colocaremos los molinos a ver si alguno está en una zona crítica. Una vez hecho el estudio del área construible del parque, comenzaremos a la distribución de los aerogeneradores buscando su rendimiento óptimo. 55

54 DESCRIPTIVA Imagen15: Situación de los molinos en la superficie construible Contamos con un número de 13 aerogeneradores en nuestro terreno. 56

55 DESCRIPTIVA CALCULO DE LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA DEL PARQUE Para el estudio de la producción de energía del parque se ha utilizado la denominada distribución de Weibull, anteriormente comentada, y que nos muestra la probabilidad de la velocidad del viento. Con esos datos se puede hacer un estudio de la producción del parque. Gráfica 3: Curva de potencia calculada con base a datos de perfiles aerodinámicos NACA 63.XXX y FFA-W3 (perfiles de pala). En la siguiente gráfico (gráfico 4) se puede observar la probabilidad de que se de una determinada velocidad de los vientos. La potencia se ha sacado en relación a la velocidad, (gráfico 3) que se ha obtenido del catalogo de nuestro aerogenerador donde hay una tabla que nos muestra la potencia que da el aerogenerador para una velocidad determinada. A continuación se ha multiplicado la probabilidad de que se de esa velocidad por la potencia que dará el aerogenerador, y la suma de todas esas operaciones 57

56 DESCRIPTIVA nos dará la producción total de un aerogenerador, en este caso 1011,713 Kw. (ver cálculos justificativos) Gráfico 4: Distribución de Weibull Una vez hallada la potencia de un aerogenerador, hallaremos la energía obtenida en un año. Esta se halla multiplicando la potencia por las horas de trabajo (356*24). Lo que nos da una energía de Mw.h Teniendo en cuenta que contamos con 13 aerogeneradores, nos queda una energía de Mw.h Esta que acabamos de obtener, es la energía teórica del parque. Ahora para conseguir la energía real, deberemos aplicarle unos factores de corrección: pérdidas por indisponibilidad de máquinas y subestación = 0,98; pérdidas por transporte = 0,97; pérdidas por mantenimiento = 0,97. 58

57 DESCRIPTIVA Las pérdidas por indisponibilidad de máquinas y subestación contemplan las posibles averías que sufrirán los aerogeneradores y que impedirán su funcionamiento durante el tiempo que dure la avería y la reparación así como los tiempos que deben permanecer inactivos mientras se realiza en ellos labores de mantenimiento. P i =0,98 Las pérdidas por transporte: Son las pérdidas que se producen en la línea de evacuación del parque (desde el parque a la subestación) y dentro del propio parque en el tendido de media tensión a 20kV. Estas pérdidas son básicamente debidas al calor (efecto Joule) por la intensidad que circula por los conductores. P t =0,97 Las pérdidas por mantenimiento contemplan todos los momentos en los que el conjunto no puede estar trabajando debido a una parada para el mantenimiento de cualquiera de sus elementos componentes. Ya sea un mantenimiento preventivo como un mantenimiento estipulado a partir de una serie de horas de trabajo. P m =0,97 Aplicando todos estos factores de pérdidas, obtenemos la producción real de energía de nuestro parque, que es de Mw.h (Para cualquier aclaración, consultar el apartado de cálculos justificativos) 59