1. Energía Eólica
Gabriel Ocaña Rebollo
Profesor E. S. de Tecnología
Ingeniero Superior de Telecomunicaciones
CEP Almería
Enero 2006
2. Índice
El viento.
Conceptos básicos de aerogeneradores.
Parques eólicos.
Ventajas e inconvenientes.
Tendencias y perspectivas.
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3. Índice
El viento.
Conceptos básicos de aerogeneradores.
Parques eólicos.
Ventajas e inconvenientes.
Tendencias y perspectivas.
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4. El Viento
El origen del viento está en el calentamiento desigual de la Tierra:
Vientos Geostróficos: Diferencias de latitud en Ecuador, Trópicos y Polos.
Vientos Superficiales: Brisas costeras por diferente calentamiento de tierra y mar.
Vientos Locales: provocado por la orografía, obstáculos, …
Una de las características del viento es su variabilidad espacial y temporal.
Vientos Brisa costera
geostróficos
Brisa montaña-valle
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5. El Viento
Aplicaciones tradicionales
La humanidad lleva utilizando la energía del viento
desde la antigüedad, aunque su desarrollo a gran escala
comenzó en la Edad Media.
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6. El Viento
Caracterización del viento
¿Cuánta Potencia tiene el viento que incide en una superficie?
Para calcularla hay que tener en cuenta la energía cinética de la
masa de aire en movimiento que llega a dicha superficie.
Resulta:
1
Ec = m ⋅V 2
2
m m 1
ρ= = ⇒ Pviento = ρ ⋅ A ⋅V 3
Vol A ⋅ d 2
E
Pviento = c
t
Teniendo en cuenta la conservación de la cantidad de movimiento (Teorema de Euler) y
conservación de la energía (Teorema de Bernoulli), se deduce la llamada Ley de Betz:
“La máxima potencia que se puede obtener, en teoría, de una corriente de aire con un
aerogenerador ideal nunca puede superar el 59,26% del la potencia del viento incidente”.
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7. El Viento
Caracterización del viento
Otra característica del viento es la dirección e intensidad
desde la que viene. La representación gráfica de la
frecuencia y velocidad para cada ángulo de dirección se
denomina Rosa de los Vientos.
Para realizar una valoración energética del viento en un
emplazamiento dado, se debe conocer la distribución
estadística de la velocidad del viento.
Suele seguir una distribución de Weibull.
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8. El Viento
Caracterización del viento
Además, el viento al acercarse a la superficie y
dependiendo de la Rugosidad del terreno, va
frenándose y aumentando su turbulencia.
Sobre superficies lisas (hielo, agua, terrenos sin
vegetación, …) la velocidad del viento será mayor que
sobre superficies más rugosas (campos, bosques,
edificios, …).
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9. Índice
El viento.
Conceptos básicos de aerogeneradores.
Parques eólicos.
Ventajas e inconvenientes.
Tendencias y perspectivas.
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10. Conceptos Básicos de Aerogeneradores
Partes de un aerogenerador
Su misión es transformar la energía eólica
en energía eléctrica.
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11. Conceptos Básicos de Aerogeneradores
Rotor
La fuerza sobre la pala de una aeroturbina es la
acción de la velocidad relativa del aire sobre ella.
Se basa en el mismo principio aerodinámico que
hace volar a un avión.
Esta velocidad es la composición de la velocidad
de viento y de la velocidad de giro de la propia
pala. Los diseños modernos tienen las palas
torsionadas para absorber el máximo de energía
a lo largo de toda su longitud.
El 90% de los grandes aerogeneradores son
tripala a barlovento, ya que presentan la mejor
relación coste-rendimiento. Diferentes ángulos de viento relativo
Los materiales de fabricación más usuales son los
plásticos compuestos: fibra de vidrio, fibra de
carbono, epoxy, kevlar, …
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13. Conceptos Básicos de Aerogeneradores
Sistema de Transmisión y Parada
El rotor gira a velocidades bajas (10-20 rpm) por
varios motivos:
Para evitar sobreesfuerzos en la torre y
cimentaciones.
Para minimizar el ruido de las palas.
Para evitar velocidades en punta de pala muy
elevadas.
Sin embargo, los generadores eléctricos más
usuales necesitan girar a miles de rpm, Caja Multiplicadora
dependiendo del nº de polos.
Esto obliga a la interconexión de los ejes del
rotor y el generador mediante una caja Freno de disco
multiplicadora.
Además, hay situaciones en los que es necesario
bloquear el aerogenerador:
Operaciones de reparación y mantenimiento.
Vientos muy fuertes
Para ello se utilizan dos mecanismos:
Frenos de disco en el eje del generador
Aerofrenos en la punta de las pala.
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14. Conceptos Básicos de Aerogeneradores
Sistema Eléctrico
Existe una clara tendencia a la utilización de generadores de
inducción de jaula de ardilla, por su sencillez, bajo
mantenimiento, robustez y menor coste.
Sin embargo, para mejorar el control de la corriente eléctrica
vertida a la red de distribución se están empezando a utilizar
cada vez más motores asíncronos con rotor bobinado.
Mejor control de la potencia reactiva.
Mejor calidad de enganche.
Mejor adaptación a las condiciones de la red eléctrica.
Algunos hacen uso de generadores síncronos multipolo, de
manera que al disminuir la velocidad de giro del generador se Generadores síncronos
puedan acoplar directamente el rotor y el generador eléctrico
Página 14 sin necesidad de caja de multiplicadora.
15. Conceptos Básicos de Aerogeneradores
Sistema de Regulación de Potencia
La velocidad de giro del rotor debe ser prácticamente
constante para no producir distorsiones en la
frecuencia de salida de la corriente eléctrica.
Para evitar que el rotor varíe su velocidad de giro al
variar la velocidad del viento, existen dos soluciones:
Control por pérdida aerodinámica, el diseño de
las palas aprovecha los distintos ángulos de ataque
para producir pérdidas aerodinámicas. Pérdida aerodinámica
Control por cambio de paso, las palas giran sobre
sí mismas para controlar el ángulo de ataque y la Mecanismo de cambio de paso
velocidad de giro.
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16. Conceptos Básicos de Aerogeneradores
Sistema de Orientación
Todos los grandes aerogeneradores llevan
incorporado un sistema de orientación que
permita aprovechar el máximo la energía
incidente del viento.
Está gobernado por un sistema de control y se
acciona mediante un servomotor en la base de
la góndola.
Los pequeños aerogeneradores utilizan sistemas
de orientación pasivos, más simples y
económicos pero con menor rendimiento.
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17. Conceptos Básicos de Aerogeneradores
Torre
La altura a la que se encuentra el rotor condiciona la cantidad de energía capturada.
Pero por otro lado, una torre excesivamente alta elevaría el coste de la estructura.
Existen tres tipos de torres, en función de la altura y peso a soportar:
Mástil con tensores: para pequeños aerogeneradores, normalmente aislados.
Celosía: torres de tamaño medio, es muy económica y resistente aunque parece ser la que
ocasiona un mayor impacto visual.
Tubular troncocónica: la más utilizada en los grandes aerogeneradores de los parques
eólicos. Se suele fabricar de acero.
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18. Conceptos Básicos de Aerogeneradores
Generador Eólico “Tipo”
Los grandes aerogeneradores eólicos
actuales suelen reunir las siguientes
características:
Rotor tripala a barlovento.
Caja multiplicadora de 2 ó 3 etapas, con
freno de disco en eje secundario.
Generador eléctrico de inducción.
Sistema de regulación de potencia:
½ Control por pérdida aerodinámica
½ Control por cambio de paso.
Sistema de orientación electromecánico.
Torre tubular troncocónica.
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19. Índice
El viento.
Conceptos básicos de aerogeneradores.
Parques eólicos.
Ventajas e inconvenientes.
Tendencias y perspectivas.
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20. Parques Eólicos
Aplicaciones de los generadores eólicos
Los generadores eólicos se utilizan básicamente para
dos cosas:
Generación de electricidad:
½ Instalaciones autónomas
½ Instalaciones con conexión a red.
Bombeo de agua.
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21. Parques Eólicos
Tamaño
La tendencia actual esa hacer aerogeneradores cada vez más grandes:
Aumentar el área de barrido.
Aumentar la altura del generador.
Disminuir el impacto visual.
Actualmente los generadores de mayor potencia son del orden:
Potencia nominal > 1 MW
Altura de la torre > 100 metros
Rotor con diámetro > 90 metros
Fotomontaje:
Pala del mayor prototipo del mundo (de 5 MW)
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22. Parques Eólicos
Instalaciones
Hoy en día es práctica habitual agrupar varios aerogeneradores en parques eólicos para poder producir
energía de forma significativa.
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24. Parques Eólicos
Parques Eólicos Marinos
Los parques eólicos “offshore” presentan características muy interesantes:
Régimen de vientos superior al terrestre.
Vientos más constantes.
La baja rugosidad de la superficie del mar hace que los vientos sean menos turbulentos.
Sin embargo, actualmente tienen los siguientes inconvenientes:
El coste de las cimentaciones es mayor.
Utiliza cableado de alta tensión submarino.
Operaciones de mantenimiento y reparación más dificultosas.
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30. Índice
El viento.
Conceptos básicos de aerogeneradores.
Parques eólicos.
Ventajas e inconvenientes.
Tendencias y perspectivas.
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31. Ventajas e Inconvenientes
Ventajas
Es inagotable.
No contamina la atmósfera, evitando la lluvia
ácida, el efecto invernadero, el agujero en la capa
de Ozono, …
Contribuye a la independencia energética, en un
país deficitario como España. Reduciría las
importaciones energéticas (balanza comercial) y
se conseguirían precios estables en la generación
de energía (estabilidad económica).
Es una inversión para generar puestos de
trabajo, además de fomentar economías locales
(empleo, impuestos municipales, alquiler terrenos,
…).
El terreno ocupado puede usarse para otras
actividades: agricultura, ganadería, …
Es una fuente de energía modular y escalable,
permitiendo instalaciones de muchos tamaños
adaptados a las diferentes necesidades.
No necesita suministros de agua en las
instalaciones.
Su recuperación energética es la más alta: 23
veces (recupera toda la energía invertida en solo
unos meses).
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32. Ventajas e Inconvenientes
Inconvenientes
La energía Eólica también presenta una serie de inconvenientes que es necesario conocer
para minimizar sus posibles consecuencias:
Inadecuación del suministro y la demanda: para evitarlo se están desarrollando sistemas de
predicción eólica de 24 h. de mayor exactitud, de modo que se pueda reorganizar el resto del
sistema de generación eléctrica.
Carácter distribuido: con el sistema de generación y distribución actual, una generación eólica
superior al 30% obligaría a adaptar las redes de distribución actuales.
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33. Ventajas e Inconvenientes
Inconvenientes
Como cualquier gran infraestructura humana, la instalación y operación de un campo de generadores eólicos tiene
repercusión en el entorno que lo rodea. A continuación se describen los distintos factores medioambientales que
pueden resultar afectados.
Impacto Visual:
Los aerogeneradores son siempre elementos altamente visibles en el paisaje. De lo contrario, no están situados
adecuadamente desde un punto de vista meteorológico y empeoran su rendimiento eléctrico. Las solución que se
adoptan son:
Seguir distribuciones geométricas o contornos del paisaje.
Al utilizar de grandes generadores, se tienen menos rotores girando más despacio.
Utilización de torres troncocónicas, y con colores “camuflados”.
Impacto visual suavizado Gran impacto visual
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34. Ventajas e Inconvenientes
Impacto Visual:
A continuación se muestran comparaciones
de impacto visual:
Con central de gas natural
Con central térmica
Parque eólico off-shore desde la costa
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35. Ventajas e Inconvenientes
Mortandad de aves:
Dada la envergadura y altura que tiene un generador eólico, existe la posibilidad de que las
aves y otros animales como los murciélagos puedan sufrir daños por la instalación de un
parque eólico.
En la práctica rara vez se ven molestadas las aves por
los aerogeneradores. Hay multitud de estudios que
muestran que las aves (bien sea de día o de noche)
tienden a cambiar su ruta de vuelo antes de llegar a la
turbina.
Estos estudios indican que las líneas alta tensión,
ventanas de edificios, vehículos e incluso gatos,
representan para las aves un peligro mucho mayor que
los aerogeneradores.
Aunque sea de manera infrecuente existen colisiones de aves con generadores eólicos,
resultando especialmente nocivo en el caso de especies protegidas o determinadas rutas
migratorias.
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36. Ventajas e Inconvenientes
Ruido
Las emisiones sonoras en aerogeneradores pueden tener dos orígenes diferentes:
Ruido mecánico: provocado por componentes metálicos moviéndose o chocando unos contra otros, puede
originarse en el multiplicador, en la transmisión (los ejes) y en el generador de una turbina eólica.
En la actualidad, con la utilización de componentes específicos de la industria eólica, este tipo de niveles
sonoros se ha reducido en más de la mitad.
Ruido aerodinámico: las palas del rotor producen un sonido silbante que puede oírse si se está cerca de un
aerogenerador a velocidades de viento relativamente bajas.
El diseño de palas cada vez más eficientes desde el punto de vista aerodinámico conlleva una reducción
global de pérdidas, incluidas las acústicas.
Aún así, la reglamentación existente obliga a la construcción de parques eólicos a una distancia mínima
de las viviendas más cercanas.
La energía de las ondas sonoras disminuye con el cuadrado de la
distancia a la fuente sonora.
Así, para un rotor que emitiese 100 dB se tendría:
A 1 diámetro de rotor del aerogenerador, un nivel de sonido de 55-60
dB (como el de una lavadora).
A 4 diámetros de rotor del aerogenerador, un nivel de sonido de 40 dB
(como el de una sala de estar).
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37. Ventajas e Inconvenientes
Erosión del Suelo
La construcción de un parque eólico supone realizar
movimiento de tierras y desbrozamiento de vegetación
para la realización de carreteras de acceso,
cimentaciones de las torres, canalizaciones de
conexiones eléctricas y comunicaciones,
subestaciones, etc.
Con las medidas que se adoptan normalmente, el
impacto de la erosión del suelo no suele resultar un
problema grave.
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38. Índice
El viento.
Conceptos básicos de aerogeneradores.
Parques eólicos.
Ventajas e inconvenientes.
Tendencias y perspectivas.
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39. Tendencias y Perspectivas
Situación actual
Con la disminución de los costes en los últimos
años, el coste de la producción eléctrica eólica
es solo algo mayor que con combustibles
tradicionales.
El 90% de la potencia eólica total europea está
en Alemania, España y Dinamarca.
España es una potencia mundial a todos los
niveles:
Fabricación de componentes
Capacidad de instalación
Potencia eólica instalada.
En el año 2004, España fue por primera vez el
país que más potencia eólica instaló en un solo
año.
De hecho, es la única energía renovable que
tiene posibilidades de alcanzar los niveles
establecidos para el año 2010.
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40. Tendencias y Perspectivas
Situación actual
Sin embargo, las instalaciones eólicas en España están muy concentradas en unas pocas
Comunidades Autónomas:
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41. Tendencias y Perspectivas
Futuras líneas de actuación
El futuro de la Energía Eólica es bastante prometedor, y es la energía renovable por la que
más se ha apostado a nivel europeo.
Los asuntos en los que más se está trabajando para aumentar su desarrollo e implantación
son las siguientes:
Desarrollo estandarizado de turbinas multi-
megavatios.
Disminución de los costes de fabricación y
construcción, especialmente en el caso de
parque eólicos marinos.
Desarrollo de sistemas de predicción eólica
horaria de mayor exactitud.
Crecimiento de las líneas de distribución
eléctrica actuales teniendo en cuenta la
generación distribuida de electricidad.
Regulación de los mercados eléctricos para
que las energías renovables no se vean
perjudicadas.
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42. “No son las especies más fuertes las que sobreviven,
ni las más inteligentes, sino las que se adaptan
más rápido a los cambios.”
Charles Darwin
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