El documento presenta una introducción al estudio de la prospección eólica, las turbinas eólicas y sus orígenes. Explica los objetivos del curso, los cuatro temas que se desarrollarán, e introduce conceptos básicos como la medición del viento, el potencial de la energía eólica, la evolución tecnológica de las turbinas eólicas y los parques eólicos.

1. Tema I.Tema I. Introducción al estudioIntroducción al estudio
de la prospección eólica,de la prospección eólica, laslas
turbinas y sus orígenes.turbinas y sus orígenes.
Profesor : M. Sc. Ing. Mullo Quevedo AlvaroProfesor : M. Sc. Ing. Mullo Quevedo Alvaro

2. PRESENTACIÓN
Objetivos del curso:
• Capacitar a los participantes en la
evaluación y el cálculo del potencial
eólico.
• Contribuir al crecimiento y aplicación de la
energía eólica desde la perspectiva de los
sistemas combinados de generación
apoyados en el desarrollo tecnológico más
reciente en el área.

3. El curso se desarrolla en cuatro temas
• Tema I: Introducción al estudio de la prospección
eólica.
• Tema II: Análisis de la producción anual de la
energía o potencial eólico de una zona o región.
• Tema III: Selección del aerogenerador a partir de
prototipos teniendo en cuenta el comportamiento
eólico del punto prospectado (ejemplo colina
cuatro).
• Tema IV: Impacto ambiental de la energía eólica.

4. OBJETIVO
• OFRECER UNA PANORAMICA
DE LA TECNOLOGIA DE LA
ENERGIA EOLICA ACTUAL

5. QUE ES LA ENERGIA EOLICA
O DEL VIENTO?
ES LA ENERGIA CINETICA DEL
AIRE EN SU MOVIMIENTO
HORIZONTAL HASTA UNA ALTURA
TECNICAMENTE APROVECHABLE.
O SIMPLEMENTE LA ENERGIA DEL
MOVIMIENTO DEL AIRE

6. El viento y su medición
•El viento se define como aire en movimiento.
•La causa fundamental del origen del viento está
relacionada con las diferencias existentes entre
la presión atmosférica de un lugar con relación
a otra (Gradiente Horizontal).
•Medidos generalmente por distintos
instrumentos : el anemómetro y la veleta.

7. (a) anemómetro y la (b) veleta(a) anemómetro y la (b) veleta

8. En la Figura se muestraEn la Figura se muestra
un anemómetroun anemómetro
ultrasónico bidimensional,ultrasónico bidimensional,
para medir la velocidadpara medir la velocidad
horizontal del viento.horizontal del viento.
Existen versionesExisten versiones
tridimensionales, quetridimensionales, que
pueden medir tanto lapueden medir tanto la
velocidad horizontal comovelocidad horizontal como
la vertical.la vertical.

9. Uno de los registradores de datos utilizados
en la prospección eólica cubana actual

10. Donde vs es la velocidad estándar del viento,Donde vs es la velocidad estándar del viento,
medida a una altura de 10 metros. Esta fórmula semedida a una altura de 10 metros. Esta fórmula se
conoce en el mundo de la energía eólica como laconoce en el mundo de la energía eólica como la
ley de la potencia séptima.ley de la potencia séptima.

11. La manera más fácil de calcular el
incremento de la velocidad del
viento con la altura es el método de
la ley exponencial. Otra
aproximación que se usa
comúnmente en Europa utiliza la
extrapolación logarítmica. La
ecuación de la ley exponencial
puede ser teóricamente menos
rigurosa, pero se corresponde bien
con la realidad y es más
conservadora que la ley
logarítmica. La fórmula de la ley
exponencial para realizar la
extrapolación de la velocidad es la
siguiente:
Donde:
h0 es la altura del anemómetro
con respecto al suelo en la
estación de referencia;
v0. es la velocidad del viento en
la estación de referencia, a la
altura h0;
α es el coeficiente de rugosidad
superficial en el sitio de
emplazamiento;
h es la altura del buje del
aerogenerador;
v es la velocidad del viento en el
sitio de emplazamiento, a la
altura h.
1

12. El valor del exponente α en la fórmula se puede
obtener por la expresión empírica:
Donde h0 y v0 se dan en m y m/s, respectivamente.

13. Ejemplo
Considérese, por ejemplo, que a la altura estándar h0
= 10 m se ha medido una velocidad media del viento
de valor igual a v0 = 4.9 m/s, y se desea estimar la
velocidad del viento a una altura h = 32 m.
Sustituyendo valores en las fórmulas anteriores se
obtiene.

14. La determinación de los parámetros de
WEIBULL, k y c, se realiza de la manera
siguiente:
Para determinar el valor de k se utiliza la
fórmula:
k0 es el factor de forma en la estación de referencia, a
la altura h0, dada en m;
k es el factor de forma en el sitio de emplazamiento a
la altura h, dada en m.

15. Considérese, por ejemplo, que a la altura estándar h0 = 10
m el factor de forma de la distribución de WEIBULL vale
k0 = 2.5, y que se desea determinar su valor para una
altura h = 32 m. Sustituyendo valores en la fórmula se
obtiene:
En el caso de c, dado que tiene dimensiones de velocidad, se
estima su variación vertical con una fórmula derivada de 1,
sustituyendo en ésta última v por c. Con ello se llega a la
fórmula:
c0 es el factor de escala en la estación de referencia a la altura
h0, dada en m; c es el factor de escala en el sitio de

16. El valor del exponente β en la fórmula anterior se puede
obtener por la expresión empírica:
Considérese, por ejemplo, que a la altura estándar h0 = 10 m
el factor de escala de la distribución de WEIBULL vale c0 =
5.6 m/s, y que se desea determinar su valor para una altura h
= 32 m. Sustituyendo valores en la fórmula (4-18) se obtiene:

17. Sustituyendo valores en la fórmula:
Se obtiene:

18. Lo mejor es utilizar grandes mástiles anemométricos entreLo mejor es utilizar grandes mástiles anemométricos entre
50 y 100 metros de altura, como el mostrado en la Figura50 y 100 metros de altura, como el mostrado en la Figura
2-6, que alcancen e incluso superen la altura del buje.2-6, que alcancen e incluso superen la altura del buje.

19. La turbulencia
• La turbulencia, sinónimo de cambios rápidosLa turbulencia, sinónimo de cambios rápidos
en la dirección y velocidad del viento, seen la dirección y velocidad del viento, se
manifiesta por los remolinos surgidos al pasarmanifiesta por los remolinos surgidos al pasar
el viento sobre obstáculos naturales oel viento sobre obstáculos naturales o
artificiales. Cuando se habla de energía eólica,artificiales. Cuando se habla de energía eólica,
la turbulencia es un fenómeno indeseable, quela turbulencia es un fenómeno indeseable, que
reduce la producción de electricidad y la vidareduce la producción de electricidad y la vida
útil de los aerogeneradores.útil de los aerogeneradores. Por eso es
importante adquirir conocimientos básicos sobre
la turbulencia, para comprender mejor cómo se
pueden disminuir sus efectos negativos.

20. La turbulencia
• La turbulencia se relaciona con losLa turbulencia se relaciona con los
cambios bruscos, caóticos y desordenadoscambios bruscos, caóticos y desordenados
de la velocidad y la di-rección del vientode la velocidad y la di-rección del viento
asociados con el flujo de aire alrededorasociados con el flujo de aire alrededor
de obstáculos.de obstáculos.

21. La turbulencia
Un emplazamiento óptimo debe presentar:Un emplazamiento óptimo debe presentar:
• Elevada velocidad media del viento.Elevada velocidad media del viento.
• Buena exposición, sin obstáculos, al flujoBuena exposición, sin obstáculos, al flujo
de aire.de aire.
• Variaciones diurnas y estacionalesVariaciones diurnas y estacionales
moderadas de la velocidad del viento.moderadas de la velocidad del viento.
• Niveles aceptables de turbulencia y deNiveles aceptables de turbulencia y de
vientos extremos.vientos extremos.

22. La turbulencia
Para mantener la turbulencia en niveles aceptables, sePara mantener la turbulencia en niveles aceptables, se
toman las medidas siguientes:toman las medidas siguientes:
• Los aerogeneradores deben estar alejados deLos aerogeneradores deben estar alejados de
edificios, árboles, y otras obstrucciones, queedificios, árboles, y otras obstrucciones, que
producen amplias zonas de turbulencia, Figura 2-8 yproducen amplias zonas de turbulencia, Figura 2-8 y
Figura 2-9.Figura 2-9.
• La torre del aerogenerador debe ser más alta que losLa torre del aerogenerador debe ser más alta que los
obstáculos a su alrededor, o aprovechar algunaobstáculos a su alrededor, o aprovechar alguna
elevación del terreno para lograrlo.elevación del terreno para lograrlo.
• El rotor del aerogenerador debe quedar expuesto alEl rotor del aerogenerador debe quedar expuesto al
viento en todas direcciones, sobre todo a los vientosviento en todas direcciones, sobre todo a los vientos
predominantes.predominantes.

23. Área de turbulencia alrededor de árbolesÁrea de turbulencia alrededor de árboles

24. La intensidad de la turbulencia
Donde σ es la desviación típica o
estándar de la velocidad del viento, en
m/s, y V es la velocidad me-dia del
viento, en m/s, en el mismo periodo de
tiempo y a la misma altura.

25. Ejemplo de fluctuaciones de la
velocidad del viento

26. La turbina eólica
La turbina eólica, o rotor principal de los
aerogeneradores modernos, captura una parte del
flujo de energía cinética del viento y lo convierte en
potencia mecánica rotativa. La potencia mecánica
entrega-da al buje de la turbina P, en W, viene dada
por la fórmula:
Donde v es la velocidad absoluta del viento que
sopla sobre la turbina, en m/s, A es el área barrida
por el rotor, en m2
, ρ es la densidad del aire2
, en
kg/m3
, y CP es el coeficiente de potencia de la
turbina, que es de hecho su eficiencia
aerodinámica. Si d es el diámetro del rotor,
entonces:

27. Coeficiente de potencia de la turbina
eólica de un aerogenerador de 1.65 MW
• El coeficiente de
potencia de las turbinas
de los aerogeneradores
modernos tiene un valor
máximo entre 0.35 y
0.50, lo cual implica que
la turbina eólica capta, a
lo sumo, entre el 35 y 50
% de la potencia del
flujo de aire que le bate.

28. QUE ES UNA MAQUINA
EOLICA?
ES UN ELEMENTO QUE
CONVIERTE LA ENERGIA EOLICA
EN ENERGIA DE ROTACION EN UN
EJE.

29. CAUSAS DEL DESARROLLO
Y MADUREZ DE LA
TECNOLOGIA EOLICA

30. 1. Necesidad de encontrar otras
alternativas
Se pronostica el agotamiento de los
combustibles fósiles
Los efectos negativos de la quema de
combustibles fósiles

31. 1. La potencialidad
El viento existe donde quiera y en muchos
sitios con gran fuerza

32. 1. La capacidad tecnológica
Han existido desarrollos en otras ramas
de la ciencia y la técnica que se han
aplicado exitosamente en la tecnología
eólica

33. 1. Visión de una nueva forma de
emplear la energía del viento
2. El apoyo político de determinados
gobiernos

34. ¿Qué es una turbina eólica o
aerogenerador?
Es una máquina que convierte la
energía del viento en electricidad

35. ¿Qué es un molino de viento?
Es una máquina que convierte la
energía del viento en energía
mecánica

36. En una TE tiene que haber un
generador eléctrico y por lo tanto una
red eléctrica para transmitir la
electricidad

37. RED ELECTRICA
1. Circuito de carga de baterías
2. Sistema eléctrico en viviendas
3. Redes aisladas
4. Grandes redes

38. LAS MODERNAS TURBINAS
EOLICAS SE CLASIFICAN SEGÚN
LA POSICION DEL EJE DE
ROTACION DEL ROTOR EN:
1. TE de eje horizontal (TEEH)
2. TE de eje vertical (TEEV)

39. TURBINA EOLICA TIPICA

40. PARQUE
EOLICO DE
TURIGUANO

41. CLASIFICACION DE LOS
SISTEMAS EOLICOS
• CONECTADOS A LA RED
ELECTRICA
• AISLADOS DE LA RED
ELECTRICA O AUTONOMOS

42. ESTADO DE DESARROLLO
MUNDIAL
SISTEMAS CONECTADOS A LA RED
• POTENCIA MUNDIAL INSTALADA
EN 2003 39151 MW
• TASA MUNDIAL DE CRECIMIENTO
26%

43. EVOLUCION DE LAS
MAQUINAS
CARATERISTICAS 1985 2000
DIAMETRO DEL ROTOR (m) 15 40-60
ALTURA DE LA TORRE (m) 20 40
POTENCIA NOMINAL (kW) 55 500-750
PRODUCCION ANUAL (kWh) 110 000 1 451 000
PESO TOTAL (T) 12 50
COSTO ESTIMADO ($) 66 600 450 000
PRODUCCION/AREA BARRIDA (Kw/m2) 621 1 155
PESO PALAS/AREA BARRIDA (kg/m2) 1.6 0.85
PESO GONDOLAS/AREA BARRIDA (kg/m2) 31 17
PESO TOTAL/AREA BARRIDA (kg/m2) 67 40
COSTO/POTENCIA INSTALADA ($/Kw) 1212 900

44. EVOLUCION DE LA POTENCIA
EOLICA TOTAL INSTALADA
EN EL MUNDO (2001-2010)

45. DISTRIBUCION GEOGRAFICA
Posición País
Capacidad (MW)
2009 2008 2006 2005 2004
1 USA 32.919 25.170 11.603 9.149 6.725
2 Alemania 25.030 23.903 20.622 18.428 16.628
3 China 20.000 12.210 2.405 1.260 764
4 España (13%) 18.263 16.754 11.730 10.028 8.504
5 India 10.742 9.654 6.270 4.430 3.000
6 Francia 4.655 3.404 1.567 757 386
7 Italia 4.547 3.736 2.123 1.717 1.265
8
Reino
Unido
4.015 3.241 1.963 1.353 888
9 Dinamarca (20%) 3.384 3.180 3.136 3.128 3.124
10 Portugal (15%) 3.374 2.862 1.716 1.022 522

46. DATOS INTERESANTES DEL
ESTADO DE DESARROLLO
• LA UE APUESTA POR UNA
INTRODUCCION PROGRESIVA DE
LAS FUENTES RENOVABLES DE
ENERGÍA.
• ALCANZAR EL 12% DE LA ENERGIA
PRIMARIA CON F.R.E. EN EL 2010.
• 60 GW INSTALADOS EN EL 2010 EN
LA UE.

47. DATOS INTERESANTES DEL
ESTADO DE DESARROLLO
• 15% DE LA ENERGIA ELECTRICA
EN DINAMARCA EN EL 2010.
• ALCANZAR EL 10% DE LA
ENERGIA ELECTRICA EN EL
2020

48. DATOS INTERESANTES DEL
ESTADO DE DESARROLLO
• COSTO DELKW INSTALADO 1000-
1200 EUROS/KW.
• FABRICANTES EUROPEOS DOMINAN
EL MERCADO MUNDIAL.
(DINAMARCA, ALEMANIA, ESPAÑAY
HOLANDA).

49. DATOS INTERESANTES DEL
ESTADO DE DESARROLLO
• FACTORES DE
DISPONIBILIDAD DE UN 96%.
• FACTORES DE CAPACIDAD
SUPERIORES AL 40%.

50. DESAROLLO TECNOLOGICO
DE PEQUEÑOS
AEROGENERADORES

51. PEQUEÑO AEROGENERADOR
• Aeroturbina eólica con una
superficie de captación inferior a
40m2
para producción de
electricidad.
• Diámetro de rotor menor de 7m.

53. A pesar del rápido desarrollo de los
medianos y grandes
aerogeneradores, los sistemas eólicos
para generar electricidad aislados de
la red eléctrica han experimentado
un desarrollo mucho más lento

54. Las razones son múltiples:
1. Mercados menos atractivos
2. Mayor complejidad técnica
3. Desarrollos realizados por
pequeñas empresas
4. Herramientas de diseño
elementales
5. Menos presupuesto de
Investigación + Desarrollo

55. DIFERENCIAS
Los grandes aerogeneradores
•Conexión a la red en un sitio escogido
previamente
Los pequeños aerogeneradores
•Cubrir en cada momento una demanda
en un sitio determinado por el usuario

56. BOMBEO DE AGUA CON
ENERGIA EOLICA

57. TIPOS DE SISTEMAS DE
BOMBEO EOLICO
• Multipala tradicional o molino
americano
• Aerobombas ligeras o de segunda
generación
• Aerobombas informales
• Sistemas de bombeo eolo-eléctrico
(SBEE)

58. Molino de
Viento
Multipala
Tradicional
o
Americano

60. Desventajas del molino de viento
tradicional
-La construcción es muy pesada
debido a las necesidades de alto
par requerido por la bomba y en
otros casos por el uso de una
tecnología de fabricación obsoleta,
lo que influye en los altos costes
tanto en la propia máquina como en
el transporte e instalación.

61. -La tecnología no es fácil de
reproducir en países con bajo
desarrollo industrial.
-Tiene poca resistencia al polvo y la
arena que penetra en el mecanismo de
transmisión. Y el agua salobre puede
reducir considerablemente la vida útil
de los sellos de la bomba (6-12
meses).

62. -El molino de viento debe ser ubicado
sobre el pozo o cercano a él, es decir,
no tiene flexibilidad para instalar
adecuadamente el rotor y la bomba.
Esto trae de hecho serios problemas en
el caso de terrenos que no son planos.

63. Aerobomba
ligera o de
segunda
generación

65. Sistema de
bombeo eolo-
eléctrico

68. TECNOLOGIAS DE LOS
AEROGENERADORES MODERNOS
CONECTADOS A LA RED

69. SE CLASIFICAN EN:
1. Barlovento o sotavento
2. Buje rígido o articulado
3. Control del rotor (paso fijo-variable)
4. Número de palas (2 o 3)
5. Orientación (activa o pasiva)

70. Estructura típica de un aerogenerador
moderno de gran potencia

71. SUBSISTEMAS DE LAS TE :
1. Rotor: palas y buje
2. Tren de fuerza: partes rotatorias de
la TE (ejes, caja multiplicadora,
freno mecánico, acoplamientos y
generador eléctrico

72. SUBSISTEMAS DE LAS TE :
3. Góndola y chasis: carcaza,
estructura base principal y sistema
de orientación
4. Torre y cimentación
5. Sistema de control

73. SUBSISTEMAS DE LAS TEEH :
6. Sistema eléctrico: cables,
interruptores, transformadores,
y convertidor electrónico de
potencia si es necesario

74. ANTECEDENTESANTECEDENTES
HISTÓRICOS DELHISTÓRICOS DEL
APROVECHAMIENTO DEAPROVECHAMIENTO DE
LA ENERGÍA DEL VIENTOLA ENERGÍA DEL VIENTO

75. ANTECENDENTES HISTÓRICOS DEL
USO DE LA ENERGÍA EÓLICA
2000 aC (?) Uso de molinos de viento
por chinos y japoneses
100 aC (?) Uso de molinos de Viento en
Egipto

76. 900’s Ruedas de viento empleadas por
los persas para irrigación
(Riego, Ducha, Baño, lavativa, otros)
1191 Primer molino de viento reportado
en Inglaterra

77. ANTECENDENTES HISTÓRICOS DEL
USO DE LA ENERGÍA EÓLICA
• 1330 Cuadro referente a molino de
viento sobre lienzo en el museo
alemán de Nurenberg
• 1500 Bosquejo de Leonardo Da
Vinci sobre la construcción de un
molino de viento

78. • 1700’s Las máquinas de vapor
comienzan a desplazar el uso de la
ruedas accionadas por viento
• 1745 Edmund Lee patenta el método
de direccionamiento automático de
los molinos

79. • 1891 Establecimiento de una
estación experimental en Askov,
Dinamarca
• Post Guerra Mundial
Investigaciones en varios países
para utilizar en gran escala la
energía del viento
ANTECENDENTES HISTÓRICOS
DEL USO DE LA ENERGÍA EÓLICA

80. •1950’s La energía atómica disminuye
el interés sobre el uso de la energía
del viento
•1970’s La escacez de energéticos
revive el interés sobre el
aprovechamiento de la energía eólica

81. PRIMERAS MAQUINAS
• FINALES DEL SIGLO XIX
• DINAMARCA, PROF. PAUL
LA COUR(1846-1908)
• EE.UU., INGENIERO BRUSH
(1844-1924)

82. PRIMERAS MAQUINAS
Aerogenerador
Gedser

83. CUARTA ETAPA Y ULTIMA
•LA ERA TECNOLOGICA
DE LAS TURBINAS
EOLICAS
•COMPRENDE DESDE
MEDIADOS DEL SIGLO
XX HASTA NUESTROS
DIAS

84. CUARTA Y ULTIMA ETAPA
• POCOS CAMBIOS EN EL DISEÑO
• GRAN EVOLUCION DE TIPO
TECNICO
• METODOS DE CALCULO
RIGUROSOS
• NUEVOS MATERIALES, LIGEROS
Y RESISTENTES
• SISTEMAS ELECTRONICOS DE
REGULACION Y CONTROL

85. DESARROLLO
PRIMERA MITAD SIGLO XX
NUEVAS APORTACIONES
POR EL CONOCIMIENTO DE
LA AERODINAMICA
EN 1973, CRISIS ENERGETICA,
APARECEN LOS PRIMEROS
AEROGENERADORES
COMERCIALES

86. PARQUE
EOLICO DE
TURIGUANO

87. CLASIFICACION DE LOS
SISTEMAS EOLICOS
• CONECTADOS A LA RED
ELECTRICA
• AISLADOS DE LA RED
ELECTRICA O AUTONOMOS

88. PRIMERA ETAPA
LA EDAD ANTIGUA DE LOS
MOLINOS DE VIENTO
COMPRENDE DESDE LAS
PRIMERAS MAQUINAS
CONOCIDAS HASTA EL SIGLO
XIV O XV

89. Molino persa
Máquinas Antiguas

90. SEGUNDA ETAPA
LA EPOCA ARTESANAL
COMPRENDE DESDE LA
REVOLUCION INTELECTUAL DEL
RENACIMIENTO PARA
TERMINAR EN PLENA
REVOLUCION INDUSTRIAL

91. ANTIGUAS MAQUINAS
Molino de
viento danés

92. TERCERA ETAPA
• LA EPOCA DE LA
RENOVACION CIENTIFICA
• COMPRENDE DESDE
MEDIADOS DEL SIGLO XIX
HASTA MEDIADOS DEL
SIGLO XX

93. CUARTA ETAPA Y ULTIMA
•LA ERA TECNOLOGICA
DE LAS TURBINAS
EOLICAS
•COMPRENDE DESDE
MEDIADOS DEL SIGLO
XX HASTA NUESTROS
DIAS

94. CUARTA Y ULTIMA ETAPA
• POCOS CAMBIOS EN EL DISEÑO
• GRAN EVOLUCION DE TIPO
TECNICO
• METODOS DE CALCULO
RIGUROSOS
• NUEVOS MATERIALES, LIGEROS
Y RESISTENTES
• SISTEMAS ELECTRONICOS DE
REGULACION Y CONTROL

95. DESARROLLO
PRIMERA MITAD SIGLO XX
NUEVAS APORTACIONES
POR EL CONOCIMIENTO DE
LA AERODINAMICA
EN 1973, CRISIS ENERGETICA,
APARECEN LOS PRIMEROS
AEROGENERADORES
COMERCIALES

96. PARQUE
EOLICO DE
TURIGUANO