energia eolica

1. Energía eólica
Profesor: Jorge Montealegre García

2. INTRODUCCIÓN
Fuente: Turismocastillalamancha.es
Fuente: navegaciónavela.com

3. INTRODUCCIÓN

4. INTRODUCCIÓN
Charles F. Brush (1849-1929)
La turbina eólica gigante de Brush en Cleveland (Ohio)
Fuente: F. Brush Special Collection, Case Western Reserve Univerity, Cleveland
(Ohio)
In 1888 Brush construye la que se cree es la
primera turbina eólica para generación eléctrica,
mejorada en los años siguientes por Poul La Cour.

5. INTRODUCCIÓN
Poul la Cour (1846-1908)
Aerogeneradores de prueba en 1897 en el instituto de
Askov Folk, Askov (Dinamarca)
Fuente: www.seagullholding.it
Fuente: Poul la Cour Museet

6. INTRODUCCIÓN
Máquina F.L. Smidth tripala de la isla de
Bogø, fabricada en 1942
La máquina Bonus 30 kW,fabricada desde 1980,
es un ejemplo de uno de los primeros modelos
de los fabricantes actuales.
Foto © F.L.Smidth & Co. A/S Foto © Bonus Energy A/S
Durante la segunda guerra mundial, la compañía
danesa de ingeniería F.L. Smidth construyó
diversos aerogeneradores bi y tripala.

7. INTRODUCCIÓN
https://www.youtube.com/watch?v=7lx_gWU2SeY

8. NATURALEZA DEL VIENTO
El movimiento del aire se realiza
fundamentalmente en la troposfera.
Sobre el viento
influyen los
siguientes factores:
Sobre el viento
influyen los
siguientes factores:
La radiación solar,
mayor en la zona
ecuatorial que en
los polos.
La radiación solar,
mayor en la zona
ecuatorial que en
los polos.
La rotación de la
tierra.
La rotación de la
tierra.
Las diferencias de
presión atmosférica.
Las diferencias de
presión atmosférica.
Los distintos tipos
de superficie y la
orografía.
Los distintos tipos
de superficie y la
orografía.
El viento es el aire en movimiento.

9. NATURALEZA DEL VIENTO
Las diferencias de temperatura conllevan la circulación de aire
El aire caliente es más ligero que el aire frío, por lo
que subirá hasta alcanzar una altura aproximada de
10 km 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.

10. NATURALEZA DEL VIENTO
Las diferencias de temperatura conllevan la circulación de aire

11. NATURALEZA DEL VIENTO
TR
p
?

p = presión absoluta (Pa).
ρ = densidad del aire seco = 1.225 medida en kg/m3 (kilogramos por metro
cúbico, a la presión atmosférica promedio a nivel del mar y a 15° C).
R´ = constante del gas.
T = temperatura (K).
La densidad del aire se ve afectada por la presión y la temperatura
Altas y bajas presiones:

12. NATURALEZA DEL VIENTO
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 1792-1843).
Puede no resultarle obvio que una partícula moviéndose en el hemisferio norte sea desviada hacia la
derecha.

13. NATURALEZA DEL VIENTO
La fuerza de Coriolis

14. NATURALEZA DEL VIENTO
Fuente: http://www.artinaid.com/2013/04/el-viento/
En cada hemisferio se distinguen tres grandes núcleos: tropical, templado y polar.

15. TIPOS DE VIENTO
Vientos de superficie
Los vientos están mucho más influenciados por la superficie terrestre a altitudes de hasta 100 metros.
El viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos.
Las direcciones del viento cerca de la superficie serán ligeramente diferentes de las de los vientos
geostróficos debido a la rotación de la tierra.
Tratándose de energía eólica interesará conocer los vientos de superficie y cómo calcular la energía
aprovechable del viento.
El viento geostrófico
Los vientos que han sido considerados en las páginas precedentes como vientos globales son en realidad los
vientos geostróficos.
Son generados, principalmente, por las diferencias de temperatura, así como por las de presión, y apenas son
influenciados por la superficie de la tierra.
Se encuentran a una altura de 1.000 metros a partir del nivel del suelo.

16. TIPOS DE VIENTO
De forma general, se puede considerar que los factores que influyen en el régimen de
vientos en una zona determinada son:
• Situación geográfica.
• Características climáticas locales.
• Topografía de la zona.
• Irregularidades del terreno.

17. TIPOS DE VIENTO
Viento de Montaña
Los vientos valle-montaña se producen por un proceso
parecido. Unas laderas reciben más insolación que
otras, en función de su pendiente y orientación.
Estos vientos soplan durante toda la noche desde la
montaña al valle y desde el valle a la montaña durante
el día.
Brisas marinas
Durante el día la tierra se calienta más rápidamente
que el mar por efecto del sol, haciendo que el viento
sople del mar a la tierra.
Igualmente por la noche la tierra se enfría más
rápidamente que el mar, soplando el viento de la
tierra hacia el mar.

18. TIPOS DE VIENTO
Viento de Montaña
Los vientos valle-montaña se producen por un proceso
parecido. Unas laderas reciben más insolación que
otras, en función de su pendiente y orientación.
Estos vientos soplan durante toda la noche desde la
montaña al valle y desde el valle a la montaña durante
el día.
Brisas marinas
Durante el día la tierra se calienta más rápidamente
que el mar por efecto del sol, haciendo que el viento
sople del mar a la tierra.
Igualmente por la noche la tierra se enfría más
rápidamente que el mar, soplando el viento de la
tierra hacia el mar.

19. TIPOS DE VIENTO

20. AEROGENERADORES CLASIFICACIÓN
Por el tipo de eje:Por el tipo de eje:
• Eje Vertical (VAWT)
• Eje Horizontal
(HAWT)
Por la orientación con
respecto al viento
Por la orientación con
respecto al viento
• A barlovento
• A sotavento
Por el número de palasPor el número de palas
• De una pala
• De dos palas
• De tres palas
• Multipala
Por el control de
potencia
Por el control de
potencia
• Palas de paso fijo
(stall control)
• Sistemas de paso
variable (pitch
control)
Por emplazamiento:Por emplazamiento:
•En tierra (onshore)
•En el mar (offshore)
Por la interconexión con el
sistema eléctrico
Por la interconexión con el
sistema eléctrico
•Aislado de la red eléctrica
•Interconectado con la red
eléctrica.
Por el generadorPor el generador
•Asíncrono con rotor de
jaula de ardilla
•Asíncrono con rotor
bobinado
•Síncrono
Por su potencia nominalPor su potencia nominal
•Microturbinas (<5kW)
•Miniturbinas (5-100kW)
•Media y gran pot. (100 –
1000kW)
•Multimegavat (>1MW)

21. AEROGENERADORES CLASIFICACIÓN
De forma general pueden señalarse los siguientes subsistemas componentes:
• Subsistema de captación.
• Subsistema de transmisión mecánica.
• Subsistema de generación eléctrica.
• Subsistema de orientación.
• Subsistema de regulación.
• Subsistema soporte.

22. SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
Aerogeneradores de eje vertical – VAWT (Vertical Axis Wind Turbine);
El uso de este tipo de aerogeneradores es minoritario en comparación con los de eje horizontal.
Existen varios modelos siendo los más empleados los siguientes:
Aerogeneradores accionados por resistencia.
El más conocido es el tipo Savonius.
Aerogeneradores accionados por
sustentación: Por ejemplo el Darrieus.

23. SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
Eje Horizontal vs eje vertical:
VENTAJAS
Horizontal Vertical
Mejor rendimiento en un intervalo más
amplio de velocidades de viento.
No necesitan orientación respecto al
viento.
Al estar la turbina en alto aprovechan el
efecto del aumento de la velocidad de
viento con la altura.
Generador y multiplicadora en el suelo,
lo que conlleva una mayor sencillez y
abaratamiento en el montaje.
Barren mayor superficie con las palas
permitiendo desarrollar mayor potencia.

24. Según el número de palas:
La mayoría de los aerogeneradores de hoy día son tripala, con el rotor a barlovento, usando
motores eléctricos para sus mecanismos de orientación.
El aerogenerador de eje horizontal de tres palas es el modelo más generalizado, aunque existen modelos
de dos palas, de una sola pala dotada de contrapeso que ya no se usan en la actualidad y multipala,
usado sobre todo en micro eólica para bombeo.
SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
Aerogeneradores de eje horizontal– HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine);

25. A barlovento:
La mayoría de los aerogeneradores tienen este tipo de diseño. Consiste en colocar el rotor de cara al
viento, siendo la principal ventaja el evitar el abrigo del viento tras la torre. Como desventaja diremos
que necesita mecanismo de orientación del rotor, y que esté situado a cierta distancia de la torre.
Orientación según el viento:
SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN

26. AERODINÁMICA
Las turbinas de uso más extendido en la actualidad son las de
“sustentación”.
En ellas, el viento circula por ambas caras de la pala, las cuales
tienen perfiles geométricos distintos, creando de esta forma un
área de depresión en la cara superior respecto a la presión en
la cara inferior.
Esta diferencia de presiones produce una fuerza llamada
sustentación aerodinámica sobre la superficie de la pala, de
forma parecida a lo que sucede en las alas de los aviones.

27. AERODINÁMICA

28. EMPLAZAMIENTO
http://www.vestas.com/en/media/videos#!
macarthur-wind-farm-development Vestas V164 80 MW a game changer in offshore
Planta eólica onshore Planta eólica offshore

29. COMPONENTES
1. pala;
2. soporte de la pala;
3. actuador del ángulo de paso;
4. buje;
5. cubierta;
6. soporte principal;
7. eje principal (baja velocidad);
8. luces de señalización aérea;
9. Caja multiplicadora;
10. dispositivos hidráulicos de refrigeración;
11. frenos mecánicos (en eje de alta velocidad);
12. generador;
13. Dispositivos de control, protección y seccionamiento;
14. transformador;
15. anemómetros;
16. estructura de la góndola;
17. torre de soporte;
18. mecanismo actuador de la orientación (corona de orientación).

30. COMPONENTES

31. COMPONENTES
La góndola contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador
eléctrico. El personal de servicio puede entrar en la góndola desde la torre de la turbina. A la izquierda de
la góndola tenemos el rotor del aerogenerador, es decir, las palas y el buje.

32. COMPONENTES
Las palas del rotor capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador moderno
de 1000 kW cada pala mide alrededor de 27 metros de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un
avión.

33. COMPONENTES
Las palas pueden ser fijas o tener un ángulo de paso variable lo que determinará el tipo de regulación
de potencia:
• Si son fijas tendrá una regulación pasiva conocida como stall regulation, basada en el control por
pérdidas aerodinámicas. Sistema robusto y sencillo pero poco versátil.
• Si se pueden girar variando el ángulo de paso de las palas, se conoce como regulación activa de
paso variable o pitch. Este sistema permite un mejor aprovechamiento del viento pero es más
costoso.
En la última década se impuso el
control de la regulación activa pitch a la
pasiva stall

34. COMPONENTES
El buje es el componente que conecta las palas al eje principal, transmitiéndole la potencia
extraída del viento, e incluye los mecanismos de regulación del ángulo de paso.
El buje suele ser de acero o de fundición y se protege externamente con una funda ovalada
denominada cubierta.
El buje rígido se diseña para mantener los principales
elementos que lo componen en una posición fija en
relación con el eje principal.
En cualquier caso, el ángulo de paso de las palas puede
variar, pero no admite ningún otro movimiento.

35. SUBSISTEMA DE TRANSMISIÓN MECÁNICA
El multiplicador tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que está
a su derecha gire 50 veces más rápidamente que el eje de baja velocidad.
 El desarrollo en los últimos años de alternadores con
convertidor incorporado ha hecho posible la construcción de
algunos modelos de aerogeneradores sin el multiplicador.
 El multiplicador es una fuente de ruido y uno de los
componentes que requiere mayor mantenimiento y puede
causar pérdidas de eficiencia al aerogenerador.
 La ausencia del multiplicador conlleva una simplificación
notable de la parte mecánica y permite una reducción del
tamaño y peso de la góndola.

36. SUBSISTEMA ELÉCTRICO
El generador eléctrico suele llamarse generador asíncrono o de inducción. En un aerogenerador moderno la
potencia máxima suele estar entre 500 y 3000 kilovatios (kW).
La potencia eléctrica a la salida del generador generalmente es de baja tensión y debe convertirse a media
tensión a través de un transformador para reducir las pérdidas de transmisión mediante la conexión a la red
de distribución de media tensión.
El controlador electrónico tiene un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del
aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación.
La unidad de refrigeración contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador eléctrico.
Además contiene una unidad de refrigeración del aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador.

37. SUBSISTEMA DE ORIENTACIÓN
El anemómetro y la veleta se utilizan para medir la velocidad y la dirección del viento. Las señales
electrónicas del anemómetro son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para
conectar el aerogenerador cuando el viento alcanza aproximadamente 5 m/s. El ordenador parará el
aerogenerador automáticamente si la velocidad del viento excede de 25 m/s, con el fin de proteger a la
turbina y sus alrededores.

38. EÓLICA EN LA ACTUALIDAD
Tipología de aerogenerador más utilizado en la actualidad:
Ya en lo que se considera la etapa de inicio de desarrollo de la energía eólica en los años 70 y 80, se
consolida el modelo de aerogenerador de eje horizontal, tripala con orientación a barlovento.
No es hasta los años 90 cuando se empieza a introducir la regulación aerodinámica por paso variable
(pitch), consolidándose su uso en los 2000.
La tendencia actual es utilizar generadores síncronos sin caja multiplicadora y conectados a la red a través
de convertidores de frecuencia.
Gran impulso de parques offshore.

39. COMPONENTES Y OPERACIÓN
https://www.youtube.com/watch?v=UV3yLeu4OAY