Energiaeolicap2 rev03

ENERGÍAS
ALTERNATIVAS
Energía eólica II, por Fco Villafranca Gracia

Energía
eólica
Parte II
 ¿Cómo funciona?
 Generadores eólicos
SUMARIO
2
IES Barañáin. Dpto. Tecnología. Fco Villafranca
Gracia. Copyrigth 2009/2017

Energía
eólica
 ¿Cómo funciona?
WEB1
WEB2
3

Energía
eólica
 Componentes
 Góndola
 Buje
 Palas del rotor
 Eje de baja velocidad con su freno mecánico
 Multiplicadora
 Eje de alta velocidad
 Generador eléctrico
 Mecanismo de orientación
 Controlador electrónico
 Sistema hidráulico
 Unidad de refrigeración
 Veleta
 Anemómetro
 Torre
¿Cómo funciona? 1
4

Energía
eólica
 Aerodinámica en aerogeneradores
 Sustentación.
 ¿Qué es lo que hace que el rotor gire?
 Obviamente el viento
 Sustentación
 Las partículas de aire se reencuentran: el aire que se desliza
a lo largo de la superficie superior del ala se mueve más
rápidamente que el de la superficie inferior.
 Esto implica una presión más baja en la superficie superior,
lo que crea la sustentación, es decir, la fuerza de empuje
hacia arriba que permite al avión volar o las palas girar. (T.
Bernoulli)
¿Cómo funciona?. 2-a
5
Alta presión
Velocidad mayor (presión baja)
Empuje
Bernoulli

Energía
eólica
 Sustentación.
 ¿Qué es lo que hace que el rotor gire?
 Obviamente el viento
 Sustentación
¿Cómo funciona?. 2-b
6

Energía
eólica
 Aerodinámica del rotor
 ¿ Por qué están torsionadas las palas del rotor?
 la pala debe estar alabeada, con el fin de que el
ángulo de ataque del viento sea el óptimo a lo largo
de toda la longitud de la misma
¿Cómo funciona?. 3
7

Energía
eólica
 Control de potencia en aerogeneradores. 1
 Están generalmente diseñados para rendir al
máximo a velocidades alrededor de 15 m/s
 Si los vientos son de gran velocidad es necesario
pararlos electromecánicamente o que giren fuera
del viento
 Hay dos tipos de control:
 pitch controlled
 stall controlled
8

Energía
eólica
 Control de potencia en aerogeneradores. 3
 Aerogeneradores de regulación por cambio del
ángulo de paso ("pitch controlled")
 Hacer girar a las palas alrededor del eje longitudinal y estás giran
ligeramente fuera del viento.
 Aerogeneradores de regulación por pérdida
aerodinámica ("stall controlled")
 Hacer perder la sustentación de forma gradual, debido a la
turbulencia creada en la pala.
 Otros métodos de control de potencia
 Alerones flags.
9

Energía
eólica
 Mecanismo de orientación
 El mecanismo de orientación de un
aerogenerador es utilizado para girar el rotor de
la turbina en contra del viento.
10
Casi todos los aerogeneradores de eje
horizontal emplean orientación forzada ,
es decir, utilizan un mecanismo que
mantiene la turbina orientada en contra
del viento mediante motores eléctricos y
multiplicadores.

Energía
eólica
 Torres de aerogeneradores. 1
 Tubulares de acero
 Torres de celosía
 Torres de mástil tensados con viento
 Torres híbridas
 Consideraciones de coste
 Consideraciones de dinámica estructural
 Elección entre torres altas y bajas
 Consideraciones sobre la seguridad en el trabajo
11

Energía
eólica
12
La torre del aerogenerador
soporta la góndola y el rotor.
En los grandes aerogeneradores
las torres tubulares pueden ser de
acero, de celosía o de hormigón.
Las torres tubulares tensadas con
vientos sólo se utilizan en
aerogeneradores pequeños
(cargadores de baterías, etc.).

Energía
eólica
13
La mayoría de los grandes
aerogeneradores se entregan con
torres tubulares de acero, fabricadas
en secciones de 20-30 metros con
bridas en cada uno de los extremos, y
son unidas con pernos "in situ". Las
torres son tronco-cónicas (es decir,
con un diámetro creciente hacia la
base), con el fin de aumentar su
resistencia y al mismo tiempo ahorrar
material.

Energía
eólica
 Torres de celosía
14
Las torres de celosía son fabricadas utilizando
perfiles de acero soldados. La ventaja básica
de las torres de celosía es su coste, puesto
que una torre de celosía requiere sólo la mitad
de material que una torre tubular sin
sustentación adicional con la misma rigidez.
La principal desventaja de este tipo de torres
es su apariencia visual (aunque esa cuestión
es claramente debatible). En cualquier caso,
por razones estéticas, las torres de celosía
han desaparecido prácticamente en los
grandes aerogeneradores modernos.

Energía
eólica
 Torres de mástil tensados con vientos
15
Muchos de los aerogeneradores pequeños
están construidos con delgadas torres de
mástil sostenidas por cables tensores. La
ventaja es el ahorro de peso y, por lo
tanto, de coste. Las desventajas son el
difícil acceso a las zonas alrededor de la
torre, lo que las hace menos apropiadas
para zonas agrícolas. Finalmente, este tipo
de torres es más propensa a sufrir actos
vandálicos, lo que compromete la
seguridad del conjunto

Energía
eólica
 Torres híbridas
16
Algunas torres están hechas con
diferentes combinaciones de las ya
mencionadas. Un ejemplo es la torre
de tres patas Bonus 95 kW de la
fotografía, de la que podría decirse
que es un híbrido entre una torre de
celosía y una torre tensada con
vientos.

Energía
eólica
 Consideraciones aerodinámicas
 Las torres de celosía y las de mástil tensado con vientos
tienen la ventaja de ofrecer menos abrigo que una torre
maciza.
 Desventaja de poner torres altas en zonas de rugosidad, ya
que la velocidad del viento aumenta con la altura.
 Consideraciones de coste
 El precio de la torre suele costar el 20% del coste de la
turbina
 Lo importante es construir las torres de la forma más
óptima posible, eso abaratará el coste de la energía
17

Energía
eólica
 Consideraciones de dinámica estructural
 Las palas del rotor de turbinas de torres relativamente
cortas están sometidas a velocidades de vientos muy
diferentes (y, por lo tanto, a diferente flexión) cuando
la pala se encuentre en su posición más elevada y su
posición más baja, lo que provoca un aumento de la
carga de fatiga en las turbinas.
18

Energía
eólica
 Elección entre torres altas y bajas
19
225 Kw 27 m de diámetro
600 Kw 47 m
1500 Kw 60 m
Coste por metro de torre.
22.000 €/10m.
Rugosidad promedio del
terreno.
El precio que obtiene el
propietario por un Kwh

Energía
eólica
 Consideraciones sobre seguridad en el trabajo
 La elección de un determinado tipo de torre tendrá
consecuencias sobre la seguridad en el trabajo
20

Energía
eólica
 Tamaño de turbinas. 1
 La potencia producida aumenta con el área de
barrido del rotor
21
1,5 Mw. 32 m de pala del rotor

Energía
eólica
 Razones para elegirgrandes turbinas
 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
 Las máquinas más grandes están particularmente bien adaptadas para
la energía eólica en el mar, y en lugares de gran extensión con vientos
constantes (Sistema Ibérico). 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.
 En áreas en las que resulta difícil establecer varias turbinas una torre
alta utiliza los recursos eólicos existentes de manera más eficiente
22

Energía
eólica
 Razones para elegirpequeñas turbinas
 Las máquinas más pequeñas pueden ser una ventaja en una
red eléctrica débil.
 Baja fluctuación de la energía eléctrica.
 Baja densidad de población y poco consumo de electricidad en
el área.
 El coste de usar grandes grúas, carreteras, etc.
 máquinas más grandes están particularmente bien adaptadas
para la energía eólica en el mar, y en lugares de gran extensión
con vientos constantes. 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.
 Consideraciones estéticas en relación al paisaje pueden a veces
imponer el uso de máquinas más pequeñas.
23

Energía
eólica
 Aerogeneradores
 Según el tipo de generador
 C.A.
 C.C.
 Según el tipo de eje
 Eje horizontal
 Eje vertical
24

Energía
eólica
 Generadores de turbinas eólicas. 1
 Funcionamiento. Se fundamenta en las leyes del
electromagnetismo
 Si circula corriente por un conductor alrededor del mismo, se crea un
campo magnético. Si la corriente es variable el campo magnético será
variable.
 Si un campo magnético variable abraza a un conductor eléctrico, en
dicho conductor se creará una f.e.m. inducida, es decir, una tensión
eléctrica. (fundamento del generador).
 Si por un conductor pasa una corriente eléctrica, y éste, está dentro de
un campo magnético, dicho conductor será expulsado de dicho campo
(fundamento del motor)
 Tipos de Generadores
 De C.A.
 Síncronos
 Asíncronos
 De C.C.
¿Como funciona?.21
25

Energía
eólica
 Principios básicos. Generadores de turbinas eólicas. 2
 Los generadores de las turbinas eólicas son
máquinas rotativas de C A, que basadas en las leyes
de la inducción electromagnética, convierten la
energía mecánica de rotación en energía eléctrica.
 La industria eólica utiliza máquinas síncronas o
asíncronas.
 La velocidad del eje de una máquina síncrona viene
impuesta por la velocidad de sincronismo de la red, es
decir por su frecuencia.
 La velocidad del eje de una máquina asíncrona será
mayor que la velocidad de los campos magnéticos
giratorios de la red.
¿Como funciona? 22
26

Energía
eólica
 Principios básicos. Generadores de turbinas
eólicas. 3
¿Como funciona? 23
27
¿Por qué ocurre esto?
El efecto es debido al movimiento del
campo magnético con respecto a la
masa metálica. Cuando un conductor
(en este caso la masa metálica) se
mueve en el seno de un campo
magnético (el generado por el imán) o
el campo magnético se mueve con
respecto al conductor, el conductor
responde tratando de anular el efecto
del imán: se generan corrientes
inducidas (corrientes de Focault) que
crean un campo magnético contrario al
que actúa, que en este caso, provoca
que se mueve el sistema. Se trata de
un ejemplo de la conocida como Ley de
Lenz. El resultado es que el campo del
imán atrae al secundario que se crea en
la masa metálica.
Símil físico

Energía
eólica
 Principios básicos. Generadores de turbinas
eólicas. 4
 motor asíncrono motor síncrono
¿Como funciona? 24
28
ns= sincronismo
n2=
n2 < ns
Cada electroimán produce alternativamente un polo N y un polo S
En el imán permanente: rojo (polo N), gris (S)
ns= n1

Energía
eólica
 Generadorsíncrono: es una máquina eléctrica que
basada en las leyes de la inducción electromagnética,
convierte la energía mecánica de rotación en energía
eléctrica
 Está formado de una parte móvil o rotor y de una parte fija
o estator.
 El rotor gira debido al empuje de una parte externa,
llamada turbina. Por medio de anillos rozantes y escobillas
se acopla una fuente de corriente continua variable a sus
devanados que en ellos genera un campo magnético o un
flujo constante que al estar acoplado al rotor, crea un
campo magnético giratorio, que en los devanados del
estator induce una corriente alterna trifásica. (en deshuso)
¿Como funciona?.25
29

Energía
eólica
 Generadorsíncrono
¿Como funciona?.26
30
La aguja imantada representa el rotor (un imán
permanente) en este caso tiene 2 polos o sea p=1
(nº de pares de polos)
La turbina junto con la caja multiplicadora hará girar
al eje del rotor del alternador eléctrico a una
velocidad de 3000 r.p.m para que la frecuencia de la
red sea de 50 Hz.
f=n p /60 , n =60 f/p = 60 x 50 /1 = 3000 r.p.m.
Es decir, que la frecuencia y la velocidad de giro del
eje la impone la red, además dicha velocidad
depende del nº de polos de la máquina.

Energía
eólica
 De inducido rotante.
¿Como funciona?.27
31
Inductor fijo (estator) e inducido
rotante (rotor)
Se utiliza para pequeñas potencias:
1.Grupos electrógenos portátiles
2.Excitatrizes

Energía
eólica
 De rotor con polos salientes.
¿Como funciona?.28
32
Son de inducido fijo (estator) y rueda
polar giratoria accionados por un
motor térmico, hidráulico o turbina del
aerogenerador. El inducido estático es
la sede de las C.A. , entrega energía
directamente al consumo. Es la
máquina más común en las centrales
hidráulicas (con gran nº de polos)
Se utilizan para grandes potencias.

Energía
eólica
 De rotor con polos lisos.
¿Como funciona?.29
33
Son de inducido fijo (estator) , el rotor
esta ranurado donde se alojan las
bobinas alimentadas por C.C a través
de anillos y escobillas, y que forman
los polos, generalmente de 2 o 4 polos
Son accionados por turbinas a gas a
gas, a vapor a aire.
Se utilizan para grandes potencias y
velocidades

Energía
eólica
 De rotor con imán permanente.
Rotor
Estator
¿Como funciona?.30
34
Son de inducido fijo (estator) , el rotor
es un imán fijo.
Evita el uso de anillos rozantes y
escobillas para alimentar al rotor.
No se aplica para grandes potencias.
No se puede controlar el flujo
magnético del rotor.
Se utiliza para pequeñas potencias.

Energía
eólica
 Generadorsíncrono
 Producen energía reactiva
 Pueden funcionar de forma autónoma
 Su rendimiento es mayor
 El control es más complicado
 La conexión a red es mas compleja
¿Como funciona?.31
35

Energía
eólica
 Generadorasíncrono: es una máquina eléctrica que basada en las
leyes de la inducción electromagnética, convierte la energía
mecánica de rotación en energía eléctrica
 Está formado de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator.
 El rotor puede ser bobinado o de jaula de ardilla.
 Si hacemos girarel rotorde forma manual a una velocidad n1
superiora la velocidad síncrona del generador(que viene
impuesta porel campo giratorio que crea la red) en ese caso el
rotorse mueve más rápidamente que el campo magnético
giratorio del estator, lo que significa que, una vez más, que el
estatorinducirá una gran corriente en el rotor. Cuanto más
rápidamente hagamos girarel rotor, mayorserá la potencia
transferida al estator en forma de fuerza electromagnética, y
posteriormente convertida en electricidad suministrada a la red
eléctrica.
¿Como funciona?.32
36

Energía
eólica
 Generadorasíncrono o de inducción
¿Como funciona?.33
37
Conversor de frecuencia

Energía
eólica
 Generadorasíncrono o de inducción
¿Como funciona?.34
38
Jaula de ardilla De rotor bobinado Estator

Energía
eólica
 Caja multiplicadora
39

Energía
eólica
 Caja multiplicadora de turbinas eólicas.
 Si usásemos un generador ordinario, directamente conectado a una red trifásica
de CA ( corriente alterna ) a 50 Hz, con dos, cuatro o seis polos, deberíamos
tener una turbina de velocidad extremadamente alta, de entre 1000 y 3000
revoluciones por minuto (r.p.m.), Con un rotor de 43 metros de diámetro, esto
implicaría una velocidad en el extremo del rotor de bastante más de dos veces la
velocidad del sonido, así es que deberíamos abandonar esta opción.
 Otra posibilidad es construir un generador de CA lento con muchos polos. Pero
si quisiera conectar el generador directamente a la red, acabaría con un
generador de 200 polos (es decir, 300 imanes) para conseguir una velocidad de
rotación razonable de 30 r.p.m.
 La solución es la caja multiplicadora. No cambia la velocidad constantemente,
suele tener una relación de 1:50 para aerogeneradores de 750 Kw.
¿Como funciona?.35
40

Energía
eólica
 El controlador
electrónico
41

Energía
eólica
 El controladorelectrónico.
 El controlador de la turbina eólica consta de varios
ordenadores que continuamente supervisan las
condiciones de la turbina eólica, y recogen
estadísticas de su funcionamiento. Como su propio
nombre indica, el controlador también controla un
gran número de interruptores, bombas hidráulicas,
válvulas y motores dentro de la turbina.
 Comunicación con el mundo exterior.
 Se monotoriza toda la información.
 Mecanismos de autoprotección y redundancia.
¿Como funciona?.36
42

Energía
eólica
 Aerogeneradores de
C.C.
43

Energía
eólica
 Aerogeneradores de C.C.
 Son generadores de pequeña potencia y no
están conectados a la red eléctrica y suelen ser
de C.C.
 Alimentan baterías para suministrar energía
eléctrica a casas, granjas, etc.
¿Como funciona?.37
44

Energía
eólica
 Máquinas de eje
horizontal y vertical
45

Energía
eólica
 Máquinas de eje horizontal
 Lentas
 Los molinos de viento clásicos
 Las máquinas multipalas o molino americano
 Las potencias suelen ser de 0.5 a 50 Kw, tiene en unas 16 o
24 aspas uniformemente repartidas. La velocidad de
arranque es de unos 2 m/s y a plena potencia suele ser de 5
m/s. Suelen tener un diámetro de 6 m. Se utilizan para
bombear agua y suministrar energía en zonas rurales.
 Rápidas
 Las máquinas utilizadas en los parques eólicos modernos.
Producen unas potencias mayores de 100 Kw, las hay de
dos y de tres palas. Se utilizan para generar energía
eléctrica. Actualmente hay aerogeneradores con una
potencia de 3 Mw.
¿Como funciona?.38
46

Energía
eólica
 ¿Porqué no un número parde palas?
 Problemas en la estabilidad de la turbina, que tenga estructura rígida. La pala más alta se
flexiona hacía atrás, mientras la mas baja pasa por la sombra del viento
 El concepto tripala danés
 Un rotor con un número impar de palas (y como mínimo tres palas) puede ser considerado
como un disco a la hora de calcular las propiedades dinámicas de la máquina.
 Más estabilidad
 Tiende a imponerse este diseño.
 Concepto bipala
 Ahorra coste de una pala y peso.
 Rotor basculante para evitar sacudidas del viento y las palas no choquen con la torre.
 Más velocidad para obtener la misma energía.
 Concepto monopala
 Ahorra coste de dos palas y peso.
 Un contrapeso al lado de buje.
 Más velocidad para obtener la misma energía
¿Como funciona?.39
47

Energía
eólica
¿Como funciona?.40
48

Energía
eólica
¿Como funciona?.41
49

Energía
eólica
 Máquinas de eje vertical
 Se adaptan a cualquier dirección del viento, sin
necesidad de dispositivos de orientación, reciben el
nombre de máquinas pané m o nas.
 Son autorregulables.
 Permite instalar el generador sobre el terreno, facilita
el mantenimiento.
 Necesita un motor de arranque y el rendimiento es
menor, que las de eje horizontal a igualdad de
potencia.
 Se utiliza en bajas potencias.
¿Como funciona?.42
50

Energía
eólica
 Máquinas de eje vertical
¿Como funciona?. 43
51
Savonius
Darreius

Energía
eólica
 Un poco de historia
52

Energía
eólica
 Historia
 Molino de viento de eje horizontal en el siglo I o II a.C.,
corresponde a Hero de Alejandría. Se utilizó para mover
el fuelle de un órgano de tubos.
 En China en 1219 d.C., se utilizaban molinos de eje
vertical, con telas radialmente dispuestas formando un
rotor horizontal.
 En 1100 d.C, Los primeros molinos de viento de eje
horizontal y cuatro palas.
 Posteriormente en el siglo XIII se encontraron en
Alemania, Dinamarca y Holanda, su uso era la molienda
de grano.
 Los molinos holandeses desde el siglo XIV se emplearon
para el bombeo del agua.
 Fue William Thomson el primero que propuso para
generar energía eléctrica en 1890.
Un poco de historia
53

Energía
eólica
 Ventajas e
inconvenientes
54

Energía
eólica
 Ventajas
 Energía limpia
 Gratuita
 Inagotable
 Inconvenientes
 Dificultad en el transporte y almacenamiento de esta energía.
 El aire es un fluido de baja densidad. Hay que fabricar máquinas
grandes y por lo cual caras.
 Producción discontinua.
 Transporte de partículas abrasivas que dañan las palas.
 Deterioro de la zona de emplazamiento.
 Impacto visual.
 Ruido.
 Peligro para las aves.
Ventajas e inconvenientes
55

Energía
eólica
 Central eólica
56

Energía
eólica57
Central eólica

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