Tema 5. Energía eólica

Objetivos: En este tema estudiamos la energía eólica. Es el tipo de energía renovable con un crecimiento más rápido tanto en España como en el resto del mundo. Su impacto, relativamente bajo, ha hecho que alcance los mayores niveles de potencia instalada, de entre las renovables, en el sistema eléctrico español.

Estudiaremos sus características, elementos, forma de funcionamiento y uso en los siguientes temas:

• Definición y conceptos
• Recurso eólico
• Tecnologías y clasificación de los aerogeneradores
• Componentes
• Sistemas de soporte, captación y orientación
• Sistemas de regulación, generador y transmisión
• Tipos de sistemas de aprovechamiento eólico

Definición y conceptos

La cantidad de energía contenida o proporcionada por las masas de aire en movimiento en su circulación por las capas bajas de la atmósfera, representa un nivel de potencial energético relativamente elevado, especialmente en determinadas condiciones locales y temporales, de tal modo que se justifica el esfuerzo por llevar a cabo su transformación en energía útil y su aprovechamiento en condiciones favorables de eficiencia y rentabilidad, dado el grado de desarrollo alcanzado por las tecnologías de conversión eólica. Así pues el viento es considerado como recurso energético desde el punto de vista de su disponibilidad como suministro.

Los aerogeneradores extraen potencia de la corriente de aire y la transforman en energía mecánica en su eje. Esta energía mecánica hace que el eje gire y a la vez produzca energía eléctrica. En esta transformación de energía, existe una pérdida de energía, que a medida que avanza la tecnología va disminuyendo.

Recurso eólico

El viento resulta de la expansión y convección del aire provocada por las diferentes absorciones de la energía solar en la tierra. A escala global, estos efectos térmicos se combinan con efectos dinámicos debidos a la rotación terrestre dando lugar a la circulación general atmosférica. Además de esta situación a gran escala, se dan importantes variaciones locales y temporales causadas por factores geográficos y climatológicos.

La evaluación y caracterización del viento, o recurso eólico, como fuente de energía es un área de trabajo de especial importancia en el aprovechamiento de la energía eólica. Conocer el régimen de los vientos al que va a estar sometido el sistema eólico, es necesario tanto para optimizar las aplicaciones energéticas como para predecir las condiciones de operación y funcionamiento.

A la hora de diseñar una instalación eólica que optimice el recurso viento se deben tener en cuenta, factores como:

• Selección del emplazamiento más favorable para la instalación de los sistemas eólicos, dadas las acusadas diferencias locales del viento.
• Estimación o previsión de la producción energética y del funcionamiento global del sistema eólico, donde se consideran valores medios de viento y distribuciones diarias, estaciones, direccionales, etc, en lugares específicos o de interés.
• Diseño del sistema, donde se tienen en cuenta las condiciones medias representativas y condiciones extremas de viento.
• Operación y regulación del sistema eólico, donde intervienen aspectos como predicción del viento para planificar el funcionamiento en tiempo real, así como características del viento que influyen en la estrategia de operación (arranque, parada, orientación, etc.) y factores que afectan al mantenimiento o vida útil del sistema (ráfagas, turbulencias, etc.).

El objetivo más importante en la selección de emplazamientos de instalaciones eólicas es maximizar la captación de energía para reducir el coste de producción.

La situación más usual en la prospección eólica consiste en estimar la energía disponible en un determinado lugar donde no han sido realizadas medidas de viento referidas a un periodo de tiempo, o incluso con frecuencia en lugares donde no existen datos. Para ello se ubican en el posible emplazamiento las torres de medida, que toman datos de velocidad y dirección del viento, que más tarde serán depurados y tratados estadísticamente con el fin de obtener la mayor producción posible.

Los emplazamientos óptimos de las máquinas eólicas deben ser seleccionados de acuerdo con varios criterios básicos:

• Elevada velocidad media: el emplazamiento debería estar en una zona de altas velocidades medias y situado en terreno con buena exposición y sin obstáculos al flujo de aire.
• Aceptables variaciones diurnas y estaciones, considerando asimismo, el acoplamiento favorable entre viento disponible y necesidad de suministro energético.
• Niveles bajos de turbulencias y de vientos extremos, que afectan a la integridad estructural y la vida útil del sistema.
• Generalmente, los lugares que se consideran como de altas velocidades pueden sintetizarse en:
• Pasos entre montañas en áreas de altos gradientes de presión.
• Largos valles descendiendo de cadenas montañosas.
• Llanos y llanuras elevados.
• Llanuras y valles con vientos asociados a fuertes vientos de gradientes de presión.
• Elevaciones con buena exposición cimas de montañas en áreas de fuertes vientos de altura.
• Lugares costeros bien expuestos en áreas de fuertes vientos.
• Lugares con vegetación.

El esquema básico a seguir en la toma de decisiones a la hora de dar el visto bueno a un proyecto se puede resumir en los siguientes pasos:

• Recopilación de datos acerca del lugar mediante un estudio in situ del emplazamiento en cuestión, observando si las caídas tienen buena orientación, es decir, si están orientadas hacia las direcciones predominantes de viento, si hay buen remonte, si el recurso no se ve frenado por existencia de vegetación alta o por pueblos.
• Instalación de torres de medida: se selecciona un lugar de ubicación de torre, a ser posible un lugar donde la estación meteorológica vea vientos de todas direcciones. Como mínimo se tomarán datos durante un año. La altura de la torre es variable, aunque debe tener la suficiente como para que los datos de viento que obtengan sean lo más parecidos a los que existan en la altura del buje de los aerogeneradores.
• Control de calidad de los datos: una vez que se ha obtenido el fichero de datos, se someten a un proceso de “depuración de datos”. Esto se realiza debido a que a veces la veleta se congela. En estos casos deja de dar datos de velocidad de viento, de manera que sesga el análisis. Para ello se correlacionan los datos de velocidad con series de treinta años ya conocidas, y que dan una media representativa de la distribución de velocidades y orientaciones del emplazamiento.
• Aplicación de modelos de viento y cálculo de producción: consiste en conocer el comportamiento de viento en todo el emplazamiento, para poner disponer los aerogeneradores de manera óptima. Esto se realiza obteniendo un mapa de viento para lo cual se utilizan programas informáticos. El paquete informático más utilizado es el WASP, desarrollado para emplazamientos de Dinamarca y Países Bajos, caracterizados por ser llanos y sin obstáculos. Por esa razón, este programa no se ajusta a geografías montañosas complejas como es el caso de España. Gracias programas de este tipo se puede obtener una idea de la producción y velocidades medias que tienes en el emplazamiento en cuestión.

Tecnología de los aerogeneradores

Un aerogenerador es una máquina, de complicada tecnología, que transforma la energía cinética del viento en sus bornes de salida y que puede ser de inducción o síncrono. Esta electricidad generada podrá ser inyectada en la red tras ser transformada a la tensión adecuada o almacenada en las baterías para ser utilizada cuando se precise.

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. En líneas generales la producción eléctrica será mayor cuanto mayor sea la densidad del aire (mayor masa por unidad de volumen), cuanto mayor sea el rotor (mayor área de barrido) y cuanto mayor sea la velocidad del viento. El área del rotor determina cuanta energía el viento es capaz de captar una turbina eólica.

Clasificación de los aerogeneradores

• Por tipo de eje:
• De eje vertical
• De eje horizontal
• Torres ciclónicas
• Por tamaño
• Mayor a un megavatio
• Medios (entre 100 kW y 1 MW)
• Pequeños, con potencias bajas desde 1 kW a 100 kW

• Por sistemas de regulación
• Cambio de paso: mecanismo que permite rotar las palas o la punta de las palas para ajustar el perfil aerodinámico a la velocidad del viento
• Desorientación: mecanismo que consiste en orientar al aerogenerador hacia otra dirección distinta de la del viento.
• Sin regulación

• Por sistema de generación
• Generador asíncrono: de velocidad constante o semivariable y de dos velocidades
• Generador síncrono: estandar, multipolo y de imanes permanentes

Componentes

Componentes

Las distintas estructuras y mecanismos que dan lugar al aerogenerador se puede dividir en seis sistemas:

• Sistema de soporte
• Sistema de captación
• Sistema de orientación
• Sistema de regulación
• Sistema de transmisión
• Sistema de regulación

Sistemas de soporte, captación y orientación

Sistemas de soporte

• Chasis: es la estructura a la cual se ancla el mecanismo del aerogenerador. Transmite las cargas sobre el rotor, el tren de conversión y el generador a la torre. Suele ser una pieza metálica forjada sobre la cual se montan las distintas partes del tren de conversión de energía.
• Cimientos: son bloques de hormigón en tierra sobre los que se atornilla la torre.

Sistema de captación

• Rotor: es el elemento principal de una máquina eólica. Está compuesto por un determinado número de palas y buje, siendo su misión la de transformar la energía cinética del viento en energía mecánica.
• Buje: conecta las palas al eje. Generalmente es una pieza metálica hecha por fundición.
• Palas: la función de las palas es captar la energía cinética del viento. En la actualidad se suelen fabricar de fibra de vidrio y están formadas por un larguero de alta resistencia y un recubrimiento de perfil variable y con alto rendimiento aerodinámico.

Son más frecuentes los equipos de paso fijo, debido a su simplicidad de diseño, aunque los de paso variable posibilitan una operación mejor a distintas velocidades de viento.

En función del número de palas los aerogeneradores pueden ser:

• Tripala: un rotor de tres palas proporciona la potencia con menos oscilaciones durante una vuelta completa y presenta un equilibrio mucho mejor de fuerzas giroscópicas. Permite el uso de un buje más simple y más rígido.
• Bipala: proporciona la misma potencia de salida que en el caso anterior y con menor coste de palas. Este rotor es mucho más fácil de instalar en la góndola, pues puede ser izado, tras su montaje en el suelo, como una única pieza eliminando maniobras complicadas.

Sistema de orientación

El sistema de orientación deberá cumplir la condición de mantener el rotor cara al viento sin provocar grandes cambios de dirección del aerogenerador cuando se produzcan cambios rápidos en la dirección del viento.

Existen distintos dispositivos de orientación dependiendo de la complejidad y potencia del aerogenerador: aleta de cola, veleta con motor auxiliar, máquinas a sotavento.

Sistemas de regulación, generador y transmisión

Sistema de regulación

Tiene por objetivo controlar la velocidad de rotación y el par motor en el eje del rotor, evitando fluctuaciones producidas por la velocidad del viento.

Los sistemas más desarrollados o bien mantienen las fluctuaciones en la velocidad de giro dentro de unos márgenes muy estrechos, o bien permiten al sistema adaptarse a cualquier condición de viento y potencia.

Existen dos grandes grupos de sistemas de regulación: por actuación sobre el rotor y por actuación sobre el eje del rotor.

Sistemas de transmisión

La energía mecánica obtenida en el rotor debe ser transmitida de alguna forma para poder ser aprovechada en una determinada tarea.

En los aerogeneradores es necesario aumentar primeramente la velocidad de giro ya que generalmente los rotores tienen velocidades de giro demasiado bajas 40-50 rpm (revoluciones por minuto) como para poder accionar directamente un generador de corriente eléctrica. Por lo tanto en estas máquinas es necesario intercalar entre el rotor y el generador un sistema multiplicador (caja multiplicadora) que eleve la velocidad de giro a 1.000 –1.500 rpm. Si no fuese así, un aero con un rotor de 45 metros de diámetro implicaría una velocidad de giro en el extremos de la pala de bastante más de dos veces la del sonido, es decir la necesaria para poder acoplar directamente el eje del generador (eje de velocidad) al del rotor (eje de baja velocidad).

Sistema generador

En función de la corriente de excitación se clasifican en sistemas síncronos (no necesitan corriente de excitación externa) y asíncronos (necesitan de excitación a través de la red)

Curva de potencia

La curva de potencia de un aerogenerador es un gráfico que indica cuál será la potencia eléctrica disponible en el aerogenerador a diferentes velocidades de viento.

Tipos de sistemas de aprovechamiento eólico

Sistemas aislados

Este tipo de sistemas se emplean en zonas donde no hay abastecimiento eléctrico, ej. Islas. En este caso los parques eólicos suelen operar junto con grupos diesel o sistemas fotovoltaicos. Este tipo de sistemas en los que se combinan varias tecnologías de generación eléctrica se denominan sistemas híbridos y constan principalmente de tres componentes: aerogenerador, grupo diesel y sistema de almacenamiento (baterías o volantes de inercia)

Sistemas eólicos conectados a red (parques eólicos)

Son sistemas que vierten parte o toda la energía que producen a la red eléctrica. El productor recibe una retribución por la electricidad inyectada en la red, que en el caso de España es completada por una prima. Esto no sucede en los sistemas eólicos aislados ya que se consume toda la electricidad producida.

Los componentes principales de un parque eólico son:

• Conjunto de aerogeneradores: cada aerogenerador está conectado a una línea de media tensión que recorre todo el parque hasta llegar a la estación transformadora. Los aerogeneradores producen electricidad a 690 V que es elevada a 20 kV por un transformador que se encuentra en la parte inferior de la torre. Con esta tensión estarán conectados entre sí los aerogeneradores.

• Subestación transformadora: con esta subestación se lleva a cabo la elevación de la tensión de 20 kV a la tensión de la red en el punto de conexión.
• Línea de alta tensión: Es la línea eléctrica que el promotor tiene que construir para llevar la electricidad producida hasta el punto de conexión que la compañía eléctrica proporciona.
• Punto de conexión: es el tramo o punto que la compañía eléctrica negocia con el promotor del parque eólico en el cual se inyecta la electricidad producida.

Parques eólicos off-shore

Algunos países no cuentan con el territorio necesario o con las condiciones adecuadas para instalar demasiadas máquinas en tierra firme. Sin embargo, disponen de amplias zonas marinas frente a sus costas, sacudidas por fuentes vientos, lo que las convierte en lugares idóneos para los parques offshore.

Ubicar los molinos eólicos en el mar tiene dos ventajas importantes, por un lado la velocidad de viento es, aproximadamente , un metro por segundo superior a la línea de costa. Por otro lado supera en un 20% la generación eléctrica en tierra firme.

El impacto visual y la ocupación de espacio es menor puesto que al utilizar máquinas de grandes potencias la ocupación de terreno es menor ya que con menos aerogeneradores se produce la misma energía que muchos molinos pequeños. En contra partida la inversión necesaria y los costes de explotación son mayores, pero son compensados a corto plazo.

TEMA 5

servido por agentesmedioambientales 2 comentarios compártelo