Energiaeolicap1 rev03

ENERGÍAS
ALTERNATIVAS
Energía eólica I, por Fco Villafranca Gracia

Energía
eólica
 Parte I
 Recursos eólicos
 Emplazamiento
 Energía producida
 Parte II
 ¿Cómo funciona?
 Generadores
SUMARIO
2
IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca
Gracia. Copyrigth 2009. rev2016

Energía
eólica
Parte I
 Recursos eólicos
 Emplazamiento
 Energía producida
SUMARIO
3

Energía
eólica
 Recursos eólicos
4

Energía
eólica
 ¿De dónde viene la energía eólica?. 1
 El 2% de la energía solar se convierte en energía eólica.
El sol irradia 174.423.000.000.000 kWh de energía porhora hacia la Tierra.
La Tierra recibe 1,74 x 10 17 W de potencia en un seg.
Esto supone una energía alrededor de 50 a 100 veces superior a la convertida
en biomasa por todas las plantas de la tierra
 Las diferencias de temperatura debido a los gradientes de
presión con llevan a la circulación del aire.
 Fuerza de Coriolis, debida al movimiento de rotación de
la tierra.
 Sólo actúa sobre los cuerpos no fijos. Siempre deflecta el
movimiento hacia la izquierda (derecha) en el hemisferio sur
(norte).
Recursos eólicos. 1
5

Energía
eólica
 ¿De donde viene la energía eólica?. 2
 Fuerza de Coriolis, debida al movimiento de
rotación de la tierra.
 Sólo actúa sobre los cuerpos no fijos. Siempre deflecta el
movimiento hacia la izquierda (derecha) en el hemisferio
sur (norte).
 La fuerza de Coriolis afecta a las direcciones del viento en el
globo.
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Energía
eólica
 La energía en el viento. 1
 Densidad del aire y área de barrido del rotor
 Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada
convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro)
actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía
transferida al rotor por el viento depende de la densidad del
aire, del área de barrido del rotor y de la velocidad del viento.
 Se aprovecha la energía o fuerza de frenado.
 La animación muestra cómo una porción cilíndrica de aire de 1metro
de espesor pasa a través del rotor de un aerogenerador típico de
1.000 kW. Con un rotor de 54 metros de diámetro cada cilindro pesa
realmente 2,8 toneladas, es decir, 2.300 veces 1,225 kg.
7

Energía
eólica
 La energía en el viento. 2
 Densidad del aire
 La energía cinética del viento depende de la densidad
del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen.
En otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire
más energía recibirá la turbina.
 A presión atmosférica normal y a 15° C el aire pesa
unos 1,225 kilogramos por metro cúbico, aunque la
densidad disminuye ligeramente con el aumento de la
humedad.
 Además, el aire es más denso cuando hace frío que
cuando hace calor. A grandes altitudes (en las
montañas) la presión del aire es más baja y el aire es
menos denso.
8

Energía
eólica Recursos eólicos. 5
9
IES Barañáin. Dpto Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009.
rev2016

Energía
eólica
 La desviación del viento. 1
 El tubo de corriente
 El rotor de la turbina eólica debe obviamente frenar el
viento cuando captura su energía cinética y la
convierte en energía rotacional. Esto implica que el
viento se moverá más lentamente en la parte
izquierda del rotor que en la parte derecha y tendrá
forma de botella.
10

Energía
eólica
 La velocidad y la potencia.1
 La cantidad de energía que posee el viento varía con el cubo
(la tercera potencia) de la velocidad media del viento; p.ej., si
la velocidad del viento se duplica la cantidad de energía que
contenga será 2 = 2 x 2 x 2 = ocho veces mayor.
3
11
W/m2
= f(v), densidad de la potencia
(Potencia/m2
)
P= 1/2 ρ Sv3
( ver diapositiva13)
P/S= 1/2 ρ v3
= 0,627 v3
Potencia disponible del viento, no la
que podamos extraer

Energía
eólica
 La velocidad y la potencia. 2
 La energía eólica se produce en forma de energía
cinética, por lo cual depende de su masa y de la
velocidad. Ec= ½ m v .
 El caudal producido por una masa de aire será
m_aire/t = V p/t= S p v ; S(superficie), p(densidad
del aire= 1,255kg/m3
), v(velocidad del viento),
m=masa, t=tiempo
 P=E/t; ½ m v2
/t= ½ pSv3
= 0,627 S v3
, Potencia
teórica. Según el teorema de Betz se puede
aprovechar el 16/27, (60%); P=0,37 S v3
, P(w), v
(m/s)
2
12

Energía
eólica
 La velocidad y la potencia. 3
 Potencia de la fórmula del viento P = 1/2 p v π r
en función del diámetro de las palas
P= potencia en W (vatios)
P= densidad del aire 1,225Kg/m3
, a nivel del mar y a 15ºC
v= velocidad del viento en m/s
r= radio del rotor.
Se capta aproximadamente el 60% de P, P= 0,29 D2
v3
,
D =diámetro
Después el µ:
Rotor, multiplicador, generador, circuieteria eléctrica y electrónica.
3 2
13

Energía
eólica
 Los anemómetros
 Medición de la velocidad del viento
 Anemómetro de cazoletas
 Se registra la velocidad angular
 Normalmente vienen previstos de veleta
 Hay otros: no mecánicos.
 El anemómetro de un aerogenerador realmente sólo se utiliza
para determinar si sopla viento suficiente como para que
valga la pena orientar el rotor del aerogenerador en contra del
viento y ponerlo en marcha.
 Mediciones en la práctica: p.e: en un mástil a la misma altura
14

Energía
eólica
 Emplazamiento
15

Energía
eólica
 Ubicación de las centrales eólicas. 1
 Condiciones eólicas
 Dirección de los vientos
 Recogidas de datos
 Buscar una perspectiva
 Rugosidad (paisajes llanos 0.5)
 Mínimos obstáculos
 Buena orografía del terreno
 Colinas redondeadas (efecto colina)
 Conexión a la red
 Refuerzo de red
 Condiciones de suelo, cimentación
 Riesgos en el uso de los datos meteorológicos
Emplazamiento. 1
16

Energía
eólica
 Efecto colina
Dónde es más fuerte el viento,
¿en la cima de la colina o al lado de ella?
Emplazamiento. 2
17

Energía
eólica
 Efecto colina
 Sí, el viento es más fuerte en la parte
superior de la colina.
Cuando el viento alcanza la colina es
empujado hacia arriba y al comprimirse gana
velocidad.
Esta es la razón por la que el sitio ideal para
un aerogenerador es en la cima de una
colina.
Emplazamiento. 3
18

Energía
eólica
 Condiciones eólicas en el mar
 Rugosidad es muy baja por lo cual la velocidad del viento es cte. Si el
viento crece se crea oleaje y aumenta la rugosidad. Cuando se
forman las olas la rugosidad decrece de nuevo.
 Es decirla RUGOSIDADes VARIABLE, al igual que los sitios que
tienen nieve.
 Generalizando: Si la rugosidad es baja a la hora de hacer los
cálculos habrá que tener en cuenta, las islas, faros etc. (obstaculos).
 Bajo cizallamiento del viento (pocos cortes de viento)
 Resulta económico poner torres bajas 0,75 veces el diámetro del
motor.
 Baja intensidad de turbulencias
 Mayor vida para los aerogeneradores (las diferencias de temperatura
entre la superficie del mar y del aire son menores que en la tierra).
Emplazamiento. 5
19

Energía
eólica
 Mapa eólico de Europa
Emplazamiento. 6
20
Terreno
accidentad
o
Plano
abierto
En la
costa
Mar
abierto
Colinas y
crestas

Energía
eólica
 Mapa eólico de España. 1
Emplazamiento. 7
21
Distribución
•Depende de la disponibilidad del combustible
•Vientos intensos constantes y regulares a lo largo
del año.
Zonas
Costa gallega del N y Tarifa
Sistema Ibérico
Otras
Islas canarias
..
El mapa indica los parques eólicos de potencia superior a 1 MW.
Los círculos grandes muestran los parques con potencia superior a los 10 MW.

Energía
eólica
 Mapa eólico de España. 2
Emplazamiento. 8
22
Distribución
•Depende de la disponibilidad del combustible
•Vientos intensos constantes y regulares a lo largo
del año.
Zonas
Costa gallega del N y Tarifa
Sistema Ibérico
Otras
Islas canarias
..
Potencia eólica instalada por Comunidades Autónomas en 2000

Energía
eólica
 Potencia instalada en Europa, 2006
Emplazamiento. 9
23
rev2016
PAIS MW PAIS MW
1ALEMANIA 17.743 14CANADA 590
2ESPAÑA 9.653 15AUSTRALIA 572
3ESTADOS UNIDOS 8.500 16SUECIA 492
4INDIA 4.300 17GRECIA 466
5DINAMARCA 3.129 18IRLANDA 441
6ITALIA 1.570 19NORUEGA 270
7REINO UNIDO 1.337 20NUEVA ZELANDA 260
8HOLANDA 1.219 21EGIPTO 145
9PORTUGAL 944 22BÉLGICA 120
10JAPON 942 23FINLANDIA 100
11AUSTRIA 799 24MARRUECOS 64
12CHINA 765 25POLONIA 58
13FRANCIA 632 26

Energía
eólica
 Potencia instalada en España, 2006
Emplazamiento. 10
24
rev2016
kW INSTALADOS
1GALICIA 2.452.480
2CASTILLA LA MANCHA 2.008.880
3CASTILLA LEÓN 1.690.310
4C. ARAGÓN 1.346.460
5NAVARRA 966.530
6ANDALUCÍA 545.000
7LA RIOJA 408.620
8ASTURIAS 162.350
9CANARIAS 146.620
10PAÍS VASCO 144.870
11CATALUÑA 144.140
12MURCIA 54.970
13C. VALENCIANA 20.490
14BALEARES 3.200
15CANTABRIA 0
16EXTREMADURA 0
17MADRID 0

SUMA TOTAL 10.094.920

Energía
eólica
 Energía producida
25

Energía
eólica
 Información para la industria eólica
 Describir y conocer la variación de las velocidades del viento
 Información para el diseño de los aerogeneradores
 Información para los inversores financieros
Energía producida. 1
26
Gráfico de probabilidad.
Distribución de Weibull
La mediana de la distribución (6,6 m/s): la mitad
del tiempo el viento soplará a más de 6,6 m/s y la
otra mitad a menos de 6,6.
Este emplazamiento particular tiene una velocidad
media de 7 m/s, promedio de la observaciones de la
velocidad del viento.
El valor modal 5,5 m/s, el valor más común.
A veces tendremos velocidades muy altas pero, son
muy raras.

Energía
eólica
 Potencia de entrada al aerogenerador.1
 Requisitos para el cálculo
 Conocerla distribución Weibull, p.e velocidad media 7 m/s
 Se podría calcular la Potencia utilizando la fórmula y conociendo la
velocidad media, pero no sería suficiente. Si lo hiciésemos así
obtendríamos 215 W/m2. Es requisito indispensable conocer el volumen
del viento.
 Conocer el volumen del viento para cada velocidad
 La botella grande mide 0,76 m de altura y la pequeña 0,24 m, ¿cuánto
mide la botella promedio? La respuesta más común sería 0,5 m, pero no
sería correcta. Veamos
 Nos interesa el volumen de la botella, y este varía con el cubo de su
tamaño.
 La Relación entre las botellas 0.76/0,24= 3,17; su volumen 3,17 al cubo
más que la pequeña, por lo cual el volumen promedio será 16,5 y de
altura será 2,55 veces más que la pequeña, es decir 2,55x0,24= 0,61 m
apreciable diferencia respecto a la respuesta inicial.
27

Energía
eólica
 Potencia de entrada al aerogenerador.2
 Por tanto, con una velocidad media del viento de 7
m/s en este caso, la potencia media ponderada de
las velocidades del viento es de 8,7 m/s. A esa
velocidad la potencia del viento es de 402 W/m 2 ,
que es casi el doble de la que obteníamos de
nuestro ingenuo cálculo al principio de la página
anterior.
 Se hace con cálculos estadísticos y existe software
para su realización.
28

Energía
eólica
 Ley de Betz. El frenado ideal del viento.
 Cuanto mayor sea la energía cinética que un aerogenerador
extraiga del viento, mayor será la ralentización que sufrirá el viento
que deja el aerogenerador por su parte izquierda en el dibujo .
 Un aerogeneradorideal ralentizaría el viento hasta 2/3 de su velocidad
inicial
 La ley de Betz dice que sólo puede convertirse menos de 16/27 (el 59 %)
de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador.
29
1. Si extraigo toda energía cinética la
velocidad será nula, ya que no saldría el
aire, el rotor no recibiría aire y la potencia
sería cero.
2. En el caso extremo V1=V2, no extraigo nada
por lo cual la potencia tambíen sería cero.
3. Debe haber alguna forma de frenar el
viento (extraer cierta energía cinética) y
convertirla energía mecánica útil.

Energía
eólica
 Función de la densidad del viento. 1
 Potencia del viento
30
El potencial de energía por segundo (la potencia )
varía proporcionalmente al cubo de la velocidad del
viento (la tercera potencia), y proporcionalmente a la
densidad del aire (su peso por unidad de volumen).
Si multiplicamos la potencia de cada velocidad del
viento por su probabilidad de cada velocidad de la
gráfica de Weibull , habremos calculado la
distribución de energía eólica a diferentes
velocidades del viento = la densidad de potencia

Energía
eólica
 Potencia disponible
 La mayor parte de la energía eólica se encontrará a
velocidades por encima de la velocidad media del
viento (promedio) en el emplazamiento.
 La potencia disponible será 16/27 de la potencia de
entrada.
31

Energía
eólica
 Función de la densidad del viento.3
 Velocidad de conexión: Normalmente, los
aerogeneradores están diseñados para empezar
a girara velocidades alrededorde 3-5 m/s. Es la
llamada velocidad de conexión. El área azul de
la izquierda muestra la pequeña cantidad de
potencia perdida debido al hecho de que la
turbina sólo empieza a funcionar a partir de,
digamos, 5 m/s.
 Velocidad de corte: El aerogenerador se
programará para pararse a altas velocidades del
viento, de unos 25 m/s, para evitar posibles
daños el la turbina o en sus alrededores. La
velocidad del viento de parada se denomina
velocidad de corte. La minúscula área azul de la
derecha representa la pérdida de potencia.
32

Energía
eólica
 Curva de potencia de un aerogenerador
 Indica cuál será la potencia eléctrica disponible en el
aerogenerador a diferentes velocidades del viento.
33

Energía
eólica
 Coeficiente de potencia de un aerogenerador
 Indica con qué eficiencia el aerogenerador convierte
la energía del viento en electricidad
34

Energía
eólica
 Energía anual disponible
 Aerogenerador 600 KW
parámetros de Weibull 1'5, 2'0 y 2'5
 La salida varía casi con el cubo de la
velocidad del viento
 El factor de carga
Con factor de carga queremos decir la producción anual de
energía dividida por la producción teórica máxima, si la
máquina estuviera funcionando a su potencia nominal
(máxima) durante las 8766 horas del año.
35

Energía
eólica
FIN DE LA PARTE I
36

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