2 principios de la energia eólica

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Principios de la energía eólica
CURSO ENERGIA ECURSO ENERGIA EÓÓLICA 2007LICA 2007
MMóódulo.dulo. La EnergLa Energíía Ea Eóólicalica
SesiSesióón: Principios den: Principios de lala energenergííaa eeóólicalica
Septiembre 2007Septiembre 2007
ENDESA SubdirecciENDESA Subdireccióón de Seleccin de Seleccióón y Formacin y Formacióónn

SESIÓN: Principios de la energía eólica
Nº HORAS: 2
PROFESOR: Vicente González Monfort
Ingeniero Aeronáutico
GAMESA Eólica
OBJETIVOS:
Presentar al alumno los fundamentos básicos en los que se sustenta la
energía eólica y su evolución histórica en cuanto a su utilización y
desarrollo.

ÍNDICE
1. Sus principios. Evolución histórica.
2. Principios aerodinámicos. El rotor.

1.- Sus principios. Evolución histórica.
“ Cuando el viento sopla, algunos construyen refugios,
otros, construyen molinos de viento”. (Proverbio
chino)

La primera y más sencilla
aplicación de la energía del viento,
corresponde al uso de las velas en
la navegación. La referencia más
antigua que se conoce relativa a la
navegación se encuentra en
grabados egipcios que datan del V
milenio a.d.C.
Sus principios. Evolución histórica.
Figura 1: Grabado de una embarcación
egipcia impulsada a vela perteneciente a la
época del Alto Imperio, 4.500años a.d.C.

Los primeros mecanismos
impulsados por el viento
(máquinas eólicas) , que se
conozcan, fueron unas ruedas de
oración que se utilizaban en
actos religiosos en el Tibet y
Mongolia.
Figura 2: Máquinas Eólicas conocidas como
ruedas de oración aparecidas varios siglos antes
de nuestra era en zonas del Tibet y Mongolia.

Los primeros “molinos de viento”
es creencia generalizada que se
empezaron a utilizar en Oriente,
ya sea en la antigua Persia o en
China, de eje vertical, conocido
como panémona que captaban la
energia del viento sobre aspas o
velas construidas con maderas y
telas.
Panémona china
(Procedencia: “Historia de las maquinas eolicas” . J.C. Cadiz)

Molino Persa. Siglo VII a.d.C.

La extensión de estos ingenios
hacia Europa y por ende a España
desde Oriente Medio se llevó a
cabo por medio de la difusión de la
cultura islamica hacia los paises
Mediterraneos. Para los paises
europeos sin influencia del Islam,
como Inglaterra y Holanda, la idea
aparecio de manera autóctona.
En Holanda, desde 1430, se
utilizaron masivamente para la
desecación de los polders.
Molino de viento en Holanda.

En España su uso se extendió por
toda la franja costera
Mediterránea, islas Baleares,
Valencia, Murcia y Andalucía y
tambien en el interior de la
Península. En la región manchega
en los siglos XVI y XVII llegaron
a ser muy abundantes, aunque
vestigios y referencias a molinos
de viento se encuentran también en
Castilla, Galicia y Pais vasco.

Los molinos españoles en las
zonas interiores presentaban una
tipología mas parecida a la
centroeuropea, mientras los
construidos en el campo de
Cartagena o Andalucia responden
al modelo que existe también en
otras zonas mediterraneas como
Grecia o Greta y cuyas aspas
adquieren un aire marinero
semejando las velas de las
pequeñas embarcaciones que
surcaban el Mediterraneo.
Molino mediterráneo en Playa de los Genoveses
Cabo de Gata.

Los elementos que componían estos
antiguos molinos de viento son en su base
fundamental similares a los existentes en la
actualidad; torre soporte, barquilla donde se
aloja el eje de rotación y la gigantesca rueda
Catalina, sistema de orientación, engranajes
y poleas como sistemas de transmisión y
cambio de dirección del viento, rotores con
varias palas dotadas del ángulo de torsión
necesario para optimizar la incidencia del
viento, sistemas de parada y de seguridad
contra vientos altos y con el control del
artilugio encomendado al molinero. Típico molino de viento manchego.
Procedencia: “Historia de las maquinas eolicas” . J.C. Cadiz

El bombeo es la aplicación que le dio un
mayor auge en los siglos posteriores con la
colonización del Oeste Americano en
donde se necesitaba abundante cantidad de
agua que existía en el subsuelo. Con este
fin se desarrollo un molino pequeño, lento,
con gran número de palas y elevado par de
arranque. Se fabricaron mas de 6 millones
de molinos “multipala americano” entre
1880 y 1930. Su tamaño medio era de 3m
de diámetro con un número de palas que
oscilaba entre 18 y 24.

No fue hasta los primeros años del siglo XX
cuando aparecen las aplicaciones de los
molinos de viento para generación eléctrica.
Las teorías aerodinámicas permitieron
establecer los principios básicos de
funcionamiento de las nuevas aeroturbinas
lográndose optimizar los diseños.
Betz publica en 1927 su famoso enunciado
que demostraría que no es posible extraer
mas del 59% de la energía contenida en el
viento y Glauert establece las teorías en que
se basa el comportamiento aerodinámico de
las aeroturbinas modernas.
Primera edición de
“ The Elements of Aerofoil and Airscrew Theory”
aparecida en 1926

Dinamarca es el país donde se presta una
mayor atención a la generación eólica de
energía eléctrica y es allí donde se construye
el primer prototipo diseñado por el profesor
Poul la Cour (1846-1908). Este diseño
contaba con palas con forma de lamas de
persianas que al girar dejaban pasar el aire a
su través constituyendo un ingenioso sistema
de seguridad contra vientos altos.
Este fue el pionero de la larga serie de
aerogeneradores que se construyeron en este
país y cuyo mayor exponente es el de Gedser
construido en el año 1957 y que como
plataforma de ensayos duró hasta 1979.

Estados Unidos también
conoció un desarrollo
importante de la energía
eólica durante las primeras
décadas del siglo XX. En los
años 40 se construye el
aerogenerador Smith-Putnma
diseño de gran complejidad y
audacia y que por problemas
de fatiga de material sufrió
graves fallos.
En la década de los 70
coincidiendo con la crisis del
petróleo nuevamente hay una
etapa de gran desarrollo. Aerogenerador Smith-Putnam
Aerogenerador MOD 1 (NASA)

Tipos de aerogeneradores

El aerogenerador actual

Los principales fabricantes
Mw´s instalados en 2006
Top-10 Suppliers in 2006
% of the total market 15,016 MW
GAMESA (ES)
15.6%
GE WIND (US)
15.5% ENERCON (GE)
15.4%
SUZLON (Ind)
7.7%
SIEMENS (DK)
7.3%
Others
4.6% GOLDWIND (PRC)
2.8%
ACCIONA (ES)
2.8%
VESTAS (DK)
28.2%
REPOWER (GE)
3.2%
NORDEX (GE)
3.4%
Source: BTM Consult ApS - March 2007

Mw´s instalados acumulados a 2006
Accu. Supplied Share Accu. Share
MW MW 2006 MW accu.
2005 2006 % 2006 %
VESTAS (DK) 20,766 4,239 28.2% 25,006 33.7%
GAMESA (ES) 7,912 2,346 15.6% 10,259 13.8%
GE WIND (US) 7,370 2,326 15.5% 9,696 13.0%
ENERCON (GE) 8,685 2,316 15.4% 11,001 14.8%
SUZLON (Ind) 1,485 1,157 7.7% 2,641 3.6%
SIEMENS (DK) 4,502 1,103 7.3% 5,605 7.5%
NORDEX (GE) 2,704 505 3.4% 3,209 4.3%
REPOWER (GE) 1,522 480 3.2% 2,002 2.7%
ACCIONA (ES) 372 426 2.8% 798 1.1%
GOLDWIND (PRC) 211 416 2.8% 627 0.8%
Others 6,578 689 4.6% 7,267 9.8%
Total 62,108 16,003 107% 78,110 105%

Supplied Domestic Export Export
2006 2006 2006 share
MW MW MW %
VESTAS (DK) 4,239 11 4,228 99.7%
ENERCON (GE) 2,316 856 1,461 63.1%
GAMESA (ES) 2,346 962 1,385 59.0%
GE WIND (US) 2,326 1,121 1,205 51.8%
SIEMENS (DK) 1,103 0 1,103 100.0%
NORDEX (GE) 505 106 400 79.1%
REPOWER (GE) 480 199 281 58.5%
SUZLON (Ind) 1,157 929 227 19.7%
ACCIONA (ES) 426 374 53 12.3%
GOLDWIND (PRC) 416 416 0 0.0%
Total 15,314 4,972 10,342 67.5%
Mw´s vs exportación en 2006

Los diez principales paises
Mw´s instalados acumulados por años
Accu. Accu. Accu. Accu. Growth rate 3 years
end end end end 2005-2006 average
Country 2003 2004 2005 2006 % %
Germany 14,612 16,649 18,445 20,652 12.0% 12.2%
USA 6,361 6,750 9,181 11,635 26.7% 22.3%
Spain 6,420 8,263 10,027 11,614 15.8% 21.8%
India 2,125 3,000 4,388 6,228 41.9% 43.1%
Denmark 3,076 3,083 3,087 3,101 0.5% 0.3%
P.R. China 571 769 1,264 2,588 104.7% 65.5%
Italy 922 1,261 1,713 2,118 23.6% 31.9%
UK 759 889 1,336 1,967 47.2% 37.3%
Portugal 311 585 1,087 1,716 57.9% 76.8%
France 274 386 775 1,585 104.6% 79.4%
Total "Ten" 35,431 41,634 51,303 63,203 23.2% 21.3%

Los principales
operadores
eólicos.
Name of wind farm operator
Cumulative MW
capacity by end
of 2006
1. Iberdrola (ES) 4,434
2. FPL (US) 4,300
3. Acciona Windpower (ES) 3,133
4. Babcock Brown Windpartner (AUS) 1,631
5. ScottishPower/PPM (UK) 1,593
6. Endesa (SP) 1,500
7. Eurus Energy Holding (JP) 1,324
8. EDP Electricidade de Portugal (P) 1,010
9. Shell Renewable (NL) 849
10. Essent /Nuon (NL) 840
11. Horizon (US) 824
12. EDF Energies Nouvelles (FR) 790
13. Dong Energy (DK) 724
14. ENEL (I) 600
15. Vattenfall (S) 534
Total of the shown companies 24,086

Previsiones 2007-20011
Global Wind Power Forecast
Cumulative MW by end of 2006 & Forecast 2011
0
20,000
40,000
60,000
80,000
100,000
120,000
Europe USA Asia Rest of World
2006 (74,306 MW) 2011 (203,151 MW)Source: BTM Consult ApS - March 2007

2.- Principios aerodinámicos. El rotor.
“La energía eólica es la energía cinética del viento”

Principios aerodinámicos. Comportamiento global de la aeroturbina.
Supongamos un tubo de corriente que
encierra el rotor y se extiende aguas
arriba y aguas abajo de la corriente
hasta regiones alejadas en las que las
variables fluidas alcanzan valores
constantes.
Para el análisis del problema haremos las siguientes hipótesis:
Movimiento estacionario.
Perfiles de velocidad uniformes.
Rotor aislado. Sin efectos colaterales del terreno y obstáculos.
Tubo de corriente con simetría axial.
Flujo incompresible.
No existen efectos de rotación en el aire.

Bajo estas hipótesis el rotor de la aeroturbina se comporta como un disco poroso de
espesor infinitesimal que actúa sobre el tubo de corriente creando un salto de
presiones a través de el, o también, podemos suponer que el rotor de la máquina
está formado por un número infinito de palas que giran a una velocidad muy
elevada sin producir gran resistencia.
Aplicando el teorema de conservación de la cantidad de movimiento al volumen de
control, obtendremos la fuerza sobre la aeroturbina (disco del rotor) en la dirección
de la corriente:
)( 21 VVUSρF −⋅⋅⋅=
Por otro lado, esta fuerza también viene dada por la diferencia de presiones delante
y detrás del rotor multiplicada por el área (aplicando Bernoulli):
)(
2
1)( 2
2
2
1 VVSppSF −
−+
⋅⋅⋅=−⋅= ρ
Igualando ambas expresiones deducimos la velocidad en el plano del rotor :
2
)( 21 VV
U
+
=

La potencia mecánica que se extrae del aire, es el resultado de la energía cinética
que éste pierde a su paso por la aeroturbina :
)2/2/( 2
2
2
1 VVUSρPm −⋅⋅⋅=
Definiendo el coeficiente de velocidad inducida axial, a , como : )1(1 aVU −=
)21(12 aVV −=
Obtenemos :
)1(421 2
1 aaVSρF −⋅⋅⋅⋅⋅=
23
1 )1(421 aaVSρPm −⋅⋅⋅⋅⋅= )4( 2
DS π=

Limite de Betz
Para calcular cuando tendremos máxima potencia mecánica, derivamos e
igualamos a cero :
0)341(2 23
1 =+−⋅⋅⋅⋅= aaVSρ
da
dPm
La máxima potencia ocurre cuando a = 1/3, por tanto :
Este valor, es el máximo valor de la potencia contenida en el tupo de corriente
del aire que es capaz de extraer el rotor de una aeroturbina.
Limite de Betz :
Una turbina eólica puede convertir en energía mecánica como máximo un
59,26 % de la energía cinética del viento que incide sobre ella.
27/16
2
1 3
1 ⋅⋅⋅= VSρPm

El comportamiento aerodinámico de un rotor de aeroturbina viene caracterizado de
manera general por los valores de los coeficientes de tracción (CT), coeficiente de
par (CQ) y sobre todo el coeficiente de potencia (CP):
3
2
1
Potencia
),(
vS
CpCp
⋅⋅⋅
==
ρ
βλ
2
2
1
Par
),(
vRS
CqCq
⋅⋅⋅⋅
==
ρ
βλ
2
2
1
Tracción
),(
vS
TCTC
⋅⋅⋅
==
ρ
βλ
)(lambda
V
RΩ
=λ
Parámetros adimensionales que definen el comportamiento de la aeroturbina
Donde: β es el ángulo de paso y λ
es el coeficiente de velocidad
específica, definido como el
cociente entre la velocidad de
punta de pala y la velocidad del
viento:

Figuras y Gráficos soporte.

• El coeficiente de potencia, se puede
entender como el rendimiento del
aerogenerador, siendo, el porcentaje de
energía contenida en el viento que
atraviesa el rotor y que es transformada en
energía mecánica en el eje del rotor.
Depende de la pala y del sistema de control
de la máquina.
• El límite físico para dicho parámetro es
59,26 % (Límite de Betz). Valores reales
máximos están entre 0,42 y 0,45.
Coeficiente de potencia
3
2
1
Potencia
),(
vS
CpCp
⋅⋅⋅
==
ρ
βλ

• Una fuerza aerodinámica es generada cuando una corriente de aire fluye
alrededor de un perfil aerodinámico.
• La forma del perfil crea una depresión en el extrados y una sobrepresión en el
intrados. La diferencia de presión estre la parte superior y la inferior, extrados
e intrados respectivamente, es la que produce la fuerza neta resultante sobre el
perfil.
Principios aerodinámicos. Perfiles aerodinámicos.

• La fuerza aerodinámica resultante, se puede dividir en dos componentes, la
sustentación (L=Lift) y la resistencia (D=Drag). La sustentación actua
perpendicular al viento relativo mientras que la resistencia se opone al
movimiento del perfil en el aire y lleva la dirección del viento incidente.

VV
VV
Viento
+
-
LL
DD α
VV
+
-
LL
DD
αVV

2
2
1
L
),(
Wc
forma
L
C
L
C
⋅⋅⋅
==
ρ
α
Parámetros adimensionales para el estudio del comportamiento de un perfil
2
2
1
D
),(
Wc
formaDCDC
⋅⋅⋅
==
ρ
α
El comportamiento aerodinámico de un perfil de rotor de aeroturbina
viene caracterizado de manera general por los valores de los coeficientes
de sustentación (CL) y coeficiente de resistencia (CD):
Donde: ρ es la densidad del aire, c la cuerda del perfil, W la velocidad relativa,
α ángulo de ataque y forma su forma geométrica.

Perfiles aerodinámicos para aeroturbinas
Los perfiles utilizados tradicionalmente en rotores
de aeroturbinas son los mismos que se utilizan de
manera general en la industria aeronáutica. En los
últimos años se han realizado considerables
esfuerzos en diseñar perfiles específicos para
aeroturbinas como los S-8 gruesos y delgados del
DOE-SERI o los DU de la Universidad de Delft,
los perfiles RISO y los perfiles FFAW3 del
organismo aeronáutico sueco FFA.
La selección del tipo de perfil debe estar
basada en el máximo (L/D)max que sea
capaz de alcanzarse compatible con
geometrías de pala practicables y altos
niveles de actuaciones.

Palas para aerogeneradores
Número y forma.
Numero : El efecto que produce aumentar el número de palas es aumentar el
coeficiente de potencia, asimismo la energía producida es función directa del
número de palas.
Los incrementos en las actuaciones de las aeroturbinas de 3 y 4 palas sobre las de 2
palas es aproximadamente del 3% y 4% respectivamente. Si se quisiera obtener la
misma energía el diámetro del rotor tendría que incrementarse.
La elección del número de palas, es pues, un compromiso entre poner menos de
mayor longitud o más de menor tamaño.
Forma: El comportamiento aerodinámico de los rotores de aeroturbinas depende en
gran medida de la geometría de la pala que se define indicando la distribución de
cuerdas, ángulos de torsión, espesores relativos y tipo de perfil a lo largo del radio.
Principios aerodinámicos.

Palas para aerogeneradores
Número y forma.
El factor de actividad de la pala junto con el número de palas es una medida de la
solidez del rotor y determina cualitativamente la forma en planta de la misma. Se
obtiene fácilmente a partir de la distribución de cuerdas de la pala.
∫ ⋅⋅
⋅
=
1
3
5
)(
16
10
xr
dxxxc
D
AF
Los factores de actividad elevados
implican velocidades específicas de
diseño, λ, reducidas, esto hace que
el factor de actividad deba
reducirse cuando la velocidad de
giro aumenta.

Curva de potencia
La característica que define a un aerogenerador específico es su curva de potencia,
que nos da la potencia que es capaz de suministrar el aerogenerador para cada
velocidad de viento.
No se debe caer en el error de
comparar máquinas por su
potencia nominal sin tener en
cuenta a que velocidad de viento
se consigue.
La curva de potencia se ha de
medir en campo respetando
escrupulosamente toda la
normativa que para tal uso esta
definida.

CURVAS DE POTENCIA
Comparativa paso fijo - paso variable
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
0 5 10 15 20 25
Windspeed at hub height ( m/s )
Potenciadesalidaadimensionalizada
Paso variable Paso fijo
Curva de potenciaPrincipios aerodinámicos.

La góndola

El parque eólico.

Proceso montaje góndolas

Proceso montaje torres

Proceso fabricación de palas

Bibliografía. (I)
“Applied aerodynamics of wind power machines”. Wilson, R.E. ; Lissaman, B.S. NSF/RA/N-
74113
“Aerodynamic perfornance of wind turbines”. Wilson, R.E. ; Lissaman, B.S ; Walker, S.N.
ERDA/NSF/04014-76/1
“Wind turbine engineering design”. Eggleston, D.M.; Stoddard, F.S. N.Y. Van Nostrand
Reinhold company
“Wind Turbines” . Erich Hau. Springer.
“Wind Energy Handbook”. Burton; Sharpe; Jenkins; Bossanyi John Wiley&Sons
“Historia de las Maquinas Eólicas”. Juan Carlos Cadiz. Endesa
“Wind Energy Course” ALTENER Project
“Airfoil design and data” Eppler R. New York Springer -Verlag

“ Theory of wing sections”. Abbot, I.H. y Von Doenhoff
“Wind turbine technology”. Spera, D.A. American Society of Mechanical Engineers
“Wind energy conversion systems”. L.L. Freris. Prentice Hall International
Principios de Conversión de energia eólica. Instituto de Estudios de la Energia
(CIEMAT)
Sistemas Eólicos de producción de energía eléctrica. J.L. Rodriguez Amenedo; J.C.
Burgos; S. Arnalte. Editorial Rueda
Bibliografía. (II)

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