Semana 06_Lección 10 Centrales Eléctricas

7/27/2019 Semana 06_Leccin 10 Centrales Elctricas

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CENTRALES EOLICAS


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REPASO: CLASIFICACIN I DE LACENTRALES

Por la fuente de energa que utilizan para producelectricidad.

a) No renovables: centrales que emplean fuenteenergticas no renovables, bsicamente combufsiles (carbn, petrleo y gas), y combustibles nu

(uranio, plutonio, etc.).b) Renovables: centrales que emplean fuentes drenovables. Se trata de las centrales solares, hidroelicas, mareomotrices, etc


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REPASO: CLASIFICACIN II DE LACENTRALES

Por el grado de desarrollo e implantacin de la tecnologa empproducir la electricidad:

a) Centrales convencionales: son las centrales con un mayor grdesarrollo, y que ms tiempo llevan implantadas. Producen la mla energa elctrica, y son las centrales trmicas (de carbn, pelas centrales nucleares y las grandes centrales hidroelctricas.

b) Centrales alternativas: son centrales cuyo grado implantacique utilizan fuentes energticas y tecnologas poco desarrolladembargo, son centrales limpias y emplean recursos renovables. las centrales solares, fotovoltaicas, elicas, geotrmicas, mareo


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LA ENERGA ELICA

La energa elica es la energa alternativa msdesarrollada. Las centrales elicas (o parques econsisten en un conjunto de dispositivosaerogeneradores.

Los aerogeneradores no disponen de turbina, saspas o palas.

La energa mecnica del viento mueve las aspestos aerogeneradores, y dicho movimiento semediante un mecanismo multiplicador de velogiro al generador elctrico.


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LA ENERGA ELICA

La energa elica es inagotable y no contaminante, sin embimportante condicionante geogrfico y atmosfrico: slo es reas con fuertes vientos y depende enormemente de la precontinuada del viento.

Adems, genera un importante impacto paisajstico y provode aves.


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AEROGENERADOR

Es el aparato que se utiliza habitualmente para

aprovechar la energa del viento o energaelica. Estos aparatos deben situarse enlugares donde la velocidad del viento sea altay las corrientes de aire sean continuas yestables.Actualmente, la energa elica es la fuente deenerga alternativa ms empleada en laproduccin de electricidad.

Un conjunto de aerogeneradores forman unparque elico o una central elica.

Los aerogeneradores son aparatos que transforman

la energa cintica del viento en energa elctrica.


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ZONAS DE VIENTOS

En general las mejores zonas de vientos se encuentran en la coslas corrientes trmicas entre el mar y la tierra; las grandes llanuracontinentales, por razones parecidas, y las zonas montaosas, dproducen efectos de aceleracin local.


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II. FUNCIONAMIENTO


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FUNCIONAMIENTO DE UNAEROGENERADOR

El viento mueve las palas de la hlice, que transmite el movitravs de un eje, hasta una caja de engranajes.

All, la velocidad de giro del eje se regula para garantizar laproduccin energtica, ya que desde la caja de engranajemovimiento se transmite hasta el generador, el cual produce

La electricidad viaja desde el generador hasta los transform

aumenta la tensin para poder se transportada la energa elos lugares de consumo.

Al mismo tiempo, el paso de las palas y la orientacin del aeson regulados por varios sistemas electrnicos.


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PARTES PRINCIPALES DE UNAEROGENERADOR

Palas de la hlice: Se encargan de recibir el viento. Estas ptamao cambian su paso segn las condiciones ya que estpor sistemas electrnicos.

Caja de engranajes: Aqu se transforma la velocidad de giroGeneralmente esta velocidad se aumenta mediante mecanruedas dentadas multiplicadores, ya que a mayor velocidadcantidad de energa elctrica se produce.

Generador: Es el encargado de producir la electricidad.

Otras partes importantes de los aerogeneradores son todos los etransmiten el movimiento entre todos los componentes.


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III. INSTALACIONES ELICAS


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Instalaciones Elicas

3 1 Componentes de un aerogenerador


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3.1. Componentes de un aerogenerador

GndolaPala del rotor

Eje de bajavelocidad

Buje del rotor

Multiplicador

Generadorelctrico

Mecanismo deorientacinEje de alta

velocidad

Sistemahidralico

Torre

Unidad derefrigeracin


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La gndola contiene los componentes clave

del aerogenerador, incluyendo elmultiplicador y el generador elctrico. Elpersonal de servicio puede entrar en lagndola desde la torre de la turbina.

El buje del rotor est acoplado al eje debaja velocidad del aerogenerador.

Las palas del rotor capturan el viento ytransmiten su potencia hacia el buje. En unaerogenerador moderno de 1000 kW cadapala mide alrededor de 27 metros delongitud y su diseo es muy parecido al del

ala de un avin.

Gndolas (con buje) listas para ser mo


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El eje de baja velocidad del aerogenerador conecta el buje del rotor al multipaerogenerador moderno de 600 kW el rotor gira bastante lentamente, de unas revoluciones por minuto (r.p.m.). El eje contiene conductos del sistema hidruel funcionamiento de los frenos aerodinmicos.

El eje de alta velocidad gira aproximadamente a 1.500 revoluciones por minpermite el funcionamiento del generador elctrico. Est equipado con un frenmecnico de emergencia. El freno mecnico se utiliza en caso de fallo del fren

durante las labores de mantenimiento de la turbina.El multiplicador tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que elvelocidad que est a su derecha gire 50 veces ms rpidamente que el eje de b

El generador elctrico suele llamarse generador asncrono o de induccin. Eaerogenerador moderno la potencia mxima suele estar entre 500 y 3000 kilo


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El mecanismo de orientacin es activado por elcontrolador electrnico, que vigila la direccin del vientoutilizando la veleta. Normalmente, la turbina slo seorientar unos pocos grados cada vez, cuando el vientocambia de direccin.

Mecanismo de orientacin de una mquinabajo, mirando hacia

El controlador electrnico tiene un ordenador que continuamente monitocondiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientacin. Ede cualquier disfuncin (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicadel generador), automticamente para el aerogenerador y llama al ordenaoperario encargado de la turbina a travs de un enlace telefnico mediante md


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El sistema hidrulico es utilizado para restaurar los frenos aerodinmicos del aerogenerador

La unidad de refrigeracin contiene un ventilador elctrico utilizado para enfriar el geAdems contiene una unidad de refrigeracin del aceite empleada para enfriar el aceite Algunas turbinas tienen generadores enfriados por agua.

El anemmetro y la veleta se utilizan para medir la velocidad y la direccin del vielectrnicas del anemmetro son utilizadas por el controlador electrnico del aerogeneradoaerogenerador cuando el viento alcanza aproximadamente 5 metros por segundo. El ordaerogenerador automticamente si la velocidad del viento excede de 25 metros por segu

proteger a la turbina y sus alrededores. Las seales de la veleta son utilizadas por el controlaaerogenerador para girar al aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de o

La torre del aerogenerador soporta la gndola y el rotor. En los grandes aerogeneradores lpueden ser de acero, de celosa o de hormign. Las torres tubulares tensadas con vientos aerogeneradores pequeos (cargadores de bateras, etc.).


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IV. Aerodinmica de aerogenerador


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Sustentacin

El rotor, compuesto por las palas y el buje, est situado corriente arriba de la torre y tamben la mayora de aerogeneradores modernos. Esto se hace, sobre todo, porque la corrientetorre es muy irregular (turbulenta).

F

Qu es lo que hace que el rotor gire? La respuesta parece obvia: el viento.

Pero en realidad, no se trata simplemente de molculas de aire que chocan contra la pade las palas del rotor. Los aerogeneradores modernos toman prestada de los avhelicpteros tecnologa ya conocida, adems de tener algunos trucos propios ms avque los aerogeneradores trabajan en un entorno realmente muy diferente, con cam

velocidades y en las direcciones del viento.


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Obsrvese la animacin del perfil cortado (seccin transversal) avin. La razn por la que un aeroplano puede volar es que el aire

a lo largo de la superficie superior del ala se mueve ms rpidamensuperficie inferior. Esto implica (por efecto Venturi) una presin superficie superior, lo que crea la sustentacin, es decir, la fuehacia arriba que permite al avin volar.

La sustentacin es perpendicular a la direccin del viento. El fesustentacin es desde hace siglos bien conocido por la gente quconstruccin de tejados: saben, por experiencia, que el materiasotavento del tejado (la cara que no da al viento) es arrancado rpest correctamente sujeto a su estructura.

Prdida de sustentacin y resistencia aerodinmica


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Prdida de sustentacin y resistencia aerodinmica

Ahora bien, qu es lo que ocurre cuando un avin se inclina demasiado hacia atrs ede subir ms rpidamente? La sustentacin del ala va de hecho a aumentar, pero

puede verse que, de repente, el flujo de aire de la superficie superior deja de estar en cla superficie del ala. En su lugar, el aire gira alrededor de un vrtice irregular (cotambin se conoce como turbulencia). Bruscamente, la sustentacin derivada de la bajla superficie superior del ala desaparece. Este fenmeno es conocido como sustentacin.

Un avin perder la sustentacin si la forma del ala va disminuyendo demasiado r

conforme el aire se mueve a lo largo de su direccin general de movimiento (por supa ser el ala propiamente dicha la que cambie su forma, sino el ngulo que forma e

direccin general de la corriente, tambin conocido como ngulo de ataque, q

aumentado en el dibujo de abajo). Observe que la turbulencia es creada en la cara p

ala en relacin con la corriente de aire.


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La prdida de sustentacin puede ser provocada si la superficiedel ala del avin (o la pala del rotor de un aerogenerador) no escompletamente uniforme y lisa. Una mella en el ala o en la paladel rotor, o un trozo de cinta adhesiva, pueden ser suficientepara iniciar una turbulencia en la parte trasera, incluso si elngulo de ataque es bastante pequeo. Obviamente, los

diseadores de aviones intentan evitar la prdida de sustentacina toda costa, ya que un avin sin la sustentacin de sus alascaer como si fuera una piedra.

Resistencia aerodinmica

Sin embargo, los diseadores de aviones y los de palas de rotor no slo se preocupan de lala prdida de sustentacin. Tambin se preocupan de la resistencia del aire, conocida en el aresistencia aerodinmica. La resistencia aerodinmica normalmente aumentar si el redireccin del movimiento aumenta.

Aerodinmica del rotor y diseo de las palas


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Para estudiar como se mueve el viento respecto a las palas del rotor de un aerohemos fijado lazos rojos en los extremos de las palas del rotor, y lazos amardistancia al buje de aproximadamente 1/4 la longitud de la pala.

El viento que llega a las palas del rotor de un aerogenerador no viene de la direccin en la que elviento sopla en el entorno, es decir, de la parte delantera de la turbina. Esto es debido a que laspropias palas del rotor se estn moviendo.

y p


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A continuacin dejamos los lazos flotar en el aire libremente (en eldibujo no se han tenido en cuenta las corrientes turbulentas creadas porlas propias palas ni tampoco la fuerza centrfuga). Las dos imgenes deesta pgina le proporcionan una vista lateral de la turbina, y otra vistadesde la parte delantera de la turbina.

Dado que la mayora de las turbinas tienen una velocidad de giro constante, la velocidad a la que se mueve la punta de la pala (velocidadperifrica) en un aerogenerador tpico suele estar alrededor de 64 m/s (enel centro del buje la veocidad, claro, es nula). A un cuarto de la longitudde la pala, la velocidad ser entonces de 16 m/s. Los lazos amarillos,cerca del buje del rotor, sern llevados ms hacia la parte de atrs de la

turbina que los lazos rojos, en los extremos de las palas.

Esto es debido a que la velocidad del viento visto desde un punto dela pala es la suma vectorial de la velocidad del viento (visto por unobservador fijo) ms la velocidad de ese punto de la pala, que a suvez es v = r (donde r es la distancia del punto al buje).


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Por qu estn torsionadas las palas del rotor?

Las palas del rotor de los grandes aerogeneradores estn torsionadas. Visto desde la pala del rotor, el viento llegar desde un

(ngulo de ataque) mucho mayor (ms desde la direccin geviento en el paisaje) conforme nos desplazamos hacia el buje (hacia la base de la pala) ver la siguiente diapositiva.

La pala de un rotor dejar de proporcionar sustentacin si el viencon un ngulo de ataque demasiado grande. As pues, la pala dealabeada, con el fin de que el ngulo de ataque sea el ptimo a lo toda la longitud de la misma. Sin embargo, en el caso partiaerogeneradores controlados por prdida aerodinmica es importla pala est construida de tal forma que la prdida de sustentproduzca de forma gradual desde la raz de la pala y hacia el evelocidades de viento altas.

Variaciones en la velocidad del viento: efecto en el ngulo de ataque


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Las variaciones en la velocidad del viento tienen un mayor efectoen el ngulo de ataque cerca de la base de la pala que en suextremo.

En la animacin de la derecha hemos sacado una de las palas del rotorde la pgina anterior fuera de su buje, y miramos desde el buje hacia elextremo, en la parte posterior (cara a sotavento) de la pala. El viento enel paisaje sopla de 8 a 16 m/s (desde la parte inferior del dibujo),mientras que el extremo de la pala gira hacia la parte izquierda de laimagen (de modo que el aire que corta se mueve hacia la derecharespecto a la pala). En el dibujo puede verse como el ngulo de ataqu

cambia mucho ms bruscamente en la base de l

amarilla), que en el extremo de la pala (lnea rojaviento cambia. En el primer caso (base de la paadido a la figura los vectores velocidad del paisaje y el debido a la rotacin de la pala (ver la ldel todo) para enfatizar que es su suma vectdetermina el ngulo de ataque. Las representacionede abajo ayudan a entender la idea. As, si el vientosuficientemente fuerte como para que haya unasustentacin , este fenmeno empezar en la base de

Variaciones en la velocidad del viento: efecto en el ngulo de ataque


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Vector velocidad del viento en el paisaje

Vector velocidad del viento debido a la rotacin de las palas (= r)

Vectores velocidad total

a) Cerca de la base de la pala

b) En el extremo de la pala

= ngulo de ataque

Direccin de sustentacin, perfil y materiales de las palas


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Direccin de sustentacin

Cortemos ahora la pala del rotor en el punto por el que pasa la lnea amarilla. En el siguiente dibujo laflecha gris muestra la direccin de la sustentacin en ese punto. La sustentacin es perpendicular a ladireccin del viento. Tal y como puede observar, la sustentacin empuja la pala parcialmente en la

direccin que nosotros queremos, es decir, hacia la izquierda. Sin embargo, tambin la dobla otrotanto.

Perfiles de la pala del rotor (secciones transversales)

Como puede ver, las palas del rotor de un aerogenerador se parecen mucho a las alas de un avin. Dehecho, los diseadores de palas de rotor usan a menudo perfiles clsicos de alas de avin comoseccin transversal de la parte ms exterior de la pala. Sin embargo, los perfiles gruesos de la partems interior de la pala suelen estar especficamente diseados para turbinas elicas. La eleccin delos perfiles de las palas del rotor conlleva una solucin de compromiso entre unas caractersticasadecuadas de sustentacin y prdida de sustentacin, y la habilidad del perfil para funcionar bien

incluso si hay algo de suciedad en su superficie (lo cual puede ser un problema en reas en las quellueve poco).

Materiales de la pala del rotor

La mayora de las modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores estn fabricadas con plstico reforzado con fibra de vidrio ("GRP"), es decirfibra de vidrio. Utilizar fibra de carbono o aramidas (Kevlar) como material de refuerzo es otra posibilidad, pero normalmente estas palas saerogeneradores. Los materiales compuestos (composites) de madera, madera-epoxy, o madera-fibra-epoxy an no han penetrado en el mercado de ladesarrollo continuado en ese rea. Las aleaciones de acero y de aluminio tienen problemas de peso y de fatiga del metal, respectivamente. Acaerogeneradores muy pequeos.

p y p


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V. Control de potencia en aerogene

Control de potencia en aerogeneradores


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Los aerogeneradores estn diseados para producir energa elde la forma ms barata posible. As pues, estn generaldiseados para rendir al mximo a velocidades alrededor de 1Es mejor no disear aerogeneradores que maximicen su rendimivientos ms fuertes, ya que los vientos tan fuertes no son comunel caso de vientos ms fuertes es necesario gastar parte del excla energa del viento para evitar daos en el aerogeneradoconsecuencia, todos los aerogeneradores estn diseados con tipo de control de potencia. Hay varias formas de hacerlseguridad en los modernos aerogeneradores:

1. Regulacin de potencia por cambio del ngulo de paso (controlled)

2. Regulacin pasiva por prdida aerodinmica (stall-controlled

3. Regulacin activa por prdida aerodinmica

Control de potencia en aerogeneradores


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1. Regulacin de potencia por cambio del ngulo de paso ("pitch controlled")

En un aerogenerador de regulacin por cambio del ngulo de paso, el controlador

electrnico de la turbina comprueba varias veces por segundo la potencia generada.Cuando sta alcanza un valor demasiado alto, el controlador enva una orden almecanismo de cambio del ngulo de paso, que inmediatamente hace girar las palasdel rotor ligeramente fuera del viento (del paisaje). Y a la inversa, las palas sonvueltas hacia el viento cuando ste disminuye de nuevo.

As pues, las palas del rotor deben ser capaces de girar alrededor de su ejelongitudinal (variar el ngulo de paso), tal y como se muestra en el dibujo. Observeque el dibujo est exagerado: durante la operacin normal, las palas girarn unafraccin de grado cada vez (y el rotor estar girando al mismo tiempo).

El diseo de aerogeneradores controlados por cambio del ngulo de paso requiere unaingeniera muy desarrollada, para asegurar que las palas giren exactamente el ngulodeseado. En este tipo de aerogeneradores, el ordenador generalmente girar las palasunos pocos grados cada vez que el viento cambie, para mantener un ngulo ptimoque proporcione el mximo rendimiento a todas las velocidades de viento. Elmecanismo de cambio del ngulo de paso suele funcionar de forma hidrulica.


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2. Regulacin por prdida aerodinmica ("stall controlled")

Los aerogeneradores de regulacin (pasiva) por prdida aerodinmica tienen las palas del rotor unidas al buje en un ngulo fijo. Sinha sido aerodinmicamente diseado para asegurar que, en el momento en que la velocidad del viento sea demasiado alta, se crearpala que no da al viento, tal y como se mostraba cinco diapositivas atrs. Esta prdida de sustentacin evita que la fuerza ascensirotor.

Si ha ledo la seccin sobre prdida de sustentacin se dar cuenta de que conforme aumenta la velocidad real del viento en la zona, del rotor tambin aumentar, hasta llegar al punto de empezar a perder sustentacin. Si mira con atencin la pala del rotor de un

prdida aerodinmica observar que la pala est ligeramente torsionada a lo largo de su eje longitudinal. Esto es as en parte para sustentacin de forma gradual, en lugar de hacerlo bruscamente, cuando la velocidad del viento alcanza su valor crtico (otras razonesmencionadas en la seccin sobre aerodinmica del rotor).

La principal ventaja de la regulacin por prdida aerodinmica es que se evitan las partes mviles del rotor y un complejo sistemaregulacin por prdida aerodinmica representa un problema de diseo aerodinmico muy complejo, y comporta retos en el diseo toda la turbina, para evitar las vibraciones provocadas por la prdida de sustentacin. Alrededor de las dos terceras partes de los aerose estn instalando en todo el mundo son mquinas de regulacin por prdida aerodinmica.

3. Regulacin activa por prdida aerodinmica


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Un nmero creciente de grandes aerogeneradores (a partir de 1 MW) estn siendo desarrollados con un mecanismo de regulacin aTcnicamente, las mquinas de regulacin activa por prdida aerodinmica se parecen a las de regulacin por cambio del ngulo de paso, epalas que pueden girar. Para tener un momento de torsin razonablemente alto a bajas velocidades del viento, este t ipo de mquinas sern nosus palas como las de regulacin por cambio del ngulo de paso a bajas velocidades del viento (a menudo slo utilizan unos pocos pasos fijos

viento). Sin embargo, cuando la mquina alcanza su potencia nominal , observar que este tipo de mquinas presentan una gran diferencia respcambio del ngulo de paso: si el generador va a sobrecargarse, la mquina girar las palas en la direccin contraria a la que lo hara una mqungulo de paso. En otras palabras, aumentar el ngulo de paso de las palas para llevarlas hasta una posicin de mayor prdida de sustentacide energa del viento.

Una de las ventajas de la regulacin activa por prdida aerodinmica es que la produccin de potencia puede ser controlada de forma ms exacon el fin de evitar que al principio de una rfaga de viento la potencia nominal sea sobrepasada. Otra de las ventajas es que la mquina puedpotencia nominal a todas las velocidades de viento. Un aerogenerador normal de regulacin pasiva por prdida aerodinmica tendr generalmpotencia elctrica a altas velocidades de viento, dado que las palas alcanzan una mayor prdida de sustentacin.

El mecanismo de cambio del ngulo de paso suele operarse mediante sistemas hidralicos o motores elctricos paso a paso. La eleccin de lasobretodo una cuestin econmica: hay que considerar si vale o no la pena pagar por la mayor complejidad de la mquina que supone el aadi

de la pala.

g p p

Otros mtodos de control de potencia

Algunos aerogeneradores modernos usan alerones (flaps) para controlar la potencia del rotor, al igual que los aviones usan aletas para modifobtener as una sustentacin adicional en el momento del despegue.

Otra posibilidad terica es que el rotor oscile lateralmente fuera del viento (alrededor de un eje vertical) para disminuir la potencia. En la prctpor desalineacin del rotor slo se usa en aerogeneradores muy pequeos (de menos de 1 kW), pues somete al rotor a fuerzas que varan cclicadaar toda la estructura. Veamos en la siguiente diapositiva ms detalles sobre el mecanismo de orientacin de los aerogeneradores (de eje horiz

Mecanismo de orientacin


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El mecanismo de orientacin de un aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento.

Error de orientacin

Se dice que la turbina elica tiene un error de orientacin si el rotor no est perpendicular al viento. Un error de orientacin implica que una menor propotravs del rea del rotor (para aqullos que saben matemticas, est proporcin disminuir con el coseno del error de orientacin).

Si esto fuera lo nico que ocurre, el mecanismo de orientacin sera una excelente forma de controlar la potencia de entrada al rotor del aerogeneradorprxima a la direccin de la fuente de viento estar sometida a un mayor esfuerzo (par flec tor) que el resto del rotor. De una parte, esto implica que eorientarse en contra del viento, independientemente de si se trata de una turbina corriente abajo o corriente arriba. Por otro lado, esto significa que las palaen la direccin de "flap" (direccin perpendicular al plano del rotor) a cada vuelta del rotor. Por tanto, las turbinas elicas que estn funcionando con unmayores cargas de fatiga que las orientadas en una direccin perpendicular al viento.

Casi todos los aerogeneradores de eje horizontal emplean orientacin forzada, es decir, utilizan unmecanismo que mantiene la turbina orientada en contra del viento mediante motores elctricos ymultiplicadores.

La imagen muestra el mecanismo de orientacin de una mquina tpica de 750 kW vista desde

abajo, mirando hacia la gndola. En la parte ms exterior podemos distinguir la corona deorientacin, y en el interior las ruedas de los motores de orientacin y los frenos del sistema deorientacin. Casi todos los fabricantes de mquinas con rotor a barlovento prefieren frenar elmecanismo de orientacin cuando no est siendo utilizado. El mecanismo de orientacin esactivado por un controlador electrnico que vigila la posicin de la veleta de la turbina variasveces por segundo cuando la turbina est girando.


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VI. Diseo de aerogeneradores

Diseo de aerogeneradores


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Consideraciones bsicas de carga

Cuando se construyen aerogeneradores o helicpteros, deben tenerse en cuenta la resistencia, el comportamiento dinmicfatiga de los materiales y de todo el conjunto.

Cargas (fuerzas) extremasLos aerogeneradores estn construidos para atrapar la energa cintica del viento. As pues, se preguntar por qu losmodernos aerogeneradores no se construyen con un gran nmero de palas del rotor, como en los viejos molinos de viento"americanos" que ha visto en la pelculas del Oeste (o en la isla de Mallorca).

Sin embargo, las turbinas con muchas palas o con palas muy anchas, esto es, turbinas con un rotor muy slido, estarnsujetas a fuerzas muy grandes, cuando el viento sopla a una velocidad de huracn (recuerde que el contenido energtico delviento vara con la el cubo de la velocidad del viento).

Los fabricantes de aerogeneradores deben certificar sus turbinas, garantizando que una vez cada 50 aos pueden soportarvientos extremos de unos 10 minutos de duracin. Por lo tanto, para limitar la influencia de los vientos extremos, losfabricantes de turbinas optan por construir turbinas con pocas palas, largas y estrechas. Para compensar la estrechez de laspalas de cara al viento, los fabricantes de turbinas prefieren dejar que las turbinas giren relativamente rpidas.

Molino mult

para bom

Cargas de fatiga

Las aerogeneradores estn sujetos a vientos fluctuantes y, por tanto, a fuerzas fluctuantes. Esto se da particularmente en el caso de estar emplazados encomponentes sujetos a una flexin repetida pueden desarrollar grietas, que en ltima instancia pueden provocar la rotura del componente. Un ejemplo dGrowian (100 m de dimetro de rotor), que tuvo que ponerse fuera de servicio en menos de 3 semanas de funcionamiento. La fatiga del metal es uindustrias. As pues, generalmente el metal no se elige como material para las palas del rotor. En el diseo de una turbina elica, es muy importante calcdiferentes componentes, tanto individualmente como en conjunto. Tambin es importante calcular las fuerzas que participan en cada flexin y estiramientla dinmica estructural, donde los fsicos han desarrollado modelos matemticos de ordenador que analizan el comportamiento de toda la turbina elicafabricantes de turbinas para disear sus mquinas de forma segura.

Aerogeneradores: Mquinas de eje horizontal o vertical?


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Aerogeneradores de eje horizontal

La mayor parte de la tecnologa descrita en estas pginas se refiere a aerogeneradores de eje horizontal (o "HAWTs", que corresponde a las siglas de lawind turbines"). La razn es simple: todos los aerogeneradores comerciales conectados a la red se construyen actualmente con un rotor tipo hlice de eje el rendimiento (a travs del coeficiente de potencia) de los distintos tipos de aerogeneradores que se discuten brevemente

Por supuesto, la finalidad del rotor es la de convertir el movimiento lineal del viento en energa rotacional que pueda ser utilizada para hacer funcionar e

es el que se utiliza en las modernas turbinas hidralicas, en las que la corriente de agua es paralela al eje de rotacin de los labes de la turbina.

Darrieus

Aerotur

de eje h

Savonius

Multipala

Velocidad espec

Turbina

ideal

Coeficiente de potencia (frente a ve

distintos tipos de aerogener

Aerogeneradores t ripala de eje horizontal

Aerogeneradores de eje vertical


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Como probablemente recordar, en las clsicas norias de agua el agua llegaba en ngulo recto (perpendicular) respecto al eje derotacin de la noria. Los aerogeneradores de eje vertical (o "VAWTs", como algunos les llaman) son como las norias en esesentido (algunos tipos de turbinas de eje vertical realmente tambin podran trabajar con un eje horizontal, aunque apenas serancapaces de mejorar la eficiencia de una turbina de tipo hlice). La nica turbina de eje vertical que ha sido comercialmente

fabricada a todos los volmenes es la mquina Darrieus, que debe su nombre al ingeniero francs Georges Darrieus, quien patentel diseo en 1931 (fue producida por la compaa estadounidense FloWind, que quebr en 1997). La mquina Darrieus secaracteriza por sus palas en forma de C, que le hacen asemejarse a un batidor de huevos. Normalmente se construye con dos o trespalas.

Las principales ventajas tericas de una mquina de eje vertical son:

1) Puede situar el generador, el multiplicador, etc. en el suelo, y puede no tener que necesitar una torre para la mquina.

2) No necesita un mecanismo de orientacin para girar el rotor en contra del viento.

Las principales desventajas (ms que las ventajas) son:

1) Las velocidades del viento cerca del nivel del suelo son muy bajas, por lo que a pesar de que puede ahorrase la torre, susvelocidades de viento sern muy bajas en la parte ms inferior de su rotor.

2) La eficiencia promedio de las mquinas de eje vertical no es impresionante.

3) La mquina no es de arranque automtico (es decir, una mquina Darrieus necesitar un "empuje" antes de arrancar. Sinembargo, esto es slo un inconveniente sin importancia, ya que puede utilizar el generador como motor absorbiendo corriente dered para arrancar la mquina).

4) La mquina puede necesitar cables tensores que la sujeten, aunque esta solucin no es practicable en reas muy cultivadas.

5) Para sustituir el cojinete principal del rotor se necesita desmontar el rotor, tanto en las mquinas de eje horizontal como en lasde eje vertical. En el caso de las ltimas, esto implica que toda la mquina deber ser desmontada (esta es la razn por la queEOLE 4 del dibujo ya no est en funcionamiento).

Eole C, unDarrieus de 4de 100 m, en Cmquina (que del mundo) ya

Aerogeneradores: Cuntas palas?


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Por qu no un nmero par de palas?

Los ingenieros de modernos aerogeneradores evitan construir grandes mquinas con un nmero par de palas. La razn ms importante es laestabilidad de la turbina. Un rotor con un nmero impar de palas (y como mnimo tres palas) puede ser considerado como un disco a la hora decalcular las propiedades dinmicas de la mquina. Un rotor con un nmero par de palas puede dar problemas de estabilidad en una mquina quetenga una estructura rgida. La razn es que en el preciso instante en que la pala ms alta se flexiona hacia atrs, debido a que obtiene la mxima

potencia del viento, la pala ms baja pasa por la sombra del viento de enfrente de la torre. La mayora de aerogeneradores modernos tienendiseos tripala, con el rotor a barloviento (en la cara de la torre que da al viento), usando motores elctricos en sus mecanismos de orientacin. Aeste diseo se le suele llamar el clsico "concepto dans", y tiende a imponerse como estndar al resto de conceptos evaluados. La gran mayorade las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este diseo. El concepto bsico fue introducido por primera vez por el clebreaerogenerador de Gedser. Otra de las caractersticas es el uso de un generador asncrono.

El

Conceptos bipala (oscilante/basculante) y monopala

Los diseos bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y, por su puesto, su peso. Sin embargo, suelen tener dificultadespara penetrar en el mercado, en parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energa de salida. Esto supone unadesventaja tanto en lo que respecta al ruido como al aspecto visual. ltimamente, varios fabricantes tradicionales de mquinas bipala han cambiado a

diseos tripala.

Las mquinas bi y monopala requieren de un diseo ms complejo, con un rotor basculante (buje oscilante), como el que se muestra en el dibujo, esdecir, el rotor tiene que ser capaz de inclinarse, con el fin de evitar fuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las palas pasa por la torre.As pues el rotor est montado en el extremo de un eje perpendicular al eje principal, y que gira junto con el eje principal. Esta disposicin puedenecesitar de amortiguadores adicionales que eviten que las palas del rotor choquen contra la torre.

Y s, los aerogeneradores monopala existen y, de hecho, ahorran el coste de otra pala! Sin embargo, los aerogeneradores monopala no estn muy exinconvenientes de los bipala tambin son aplicables, e incluso en mayor medida, a las mquinas monopala. Adems de una mayor velocidad de giro, y de lovisual, necesitan un contrapeso en el lado del buje opuesto a la pala que equilibre el rotor. Obviamente, esto anula el ahorro de peso comparado con un dise

Optimizacin de aerogeneradores


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El molino de viento para bombear agua de la fotografa de la izquierda tiene un aspecto muy diferente al de los grandesaerogeneradores modernos. Sin embargo, estn diseados de forma bastante inteligente para el fin al que estn destinados: elrotor muy slido y con muchas palas significa que girar incluso a velocidades de viento muy bajas, por lo que bombear unacantidad de agua razonable a lo largo de todo el ao.

Claramente, sern muy ineficientes a altas velocidades del viento, y tendrn que pararse y orientarse fuera del viento para evitar

daos en la turbina, debido a la solidez del rotor. Aunque eso realmente no importa: no queremos vaciar los pozos e inundar lostanques de agua durante un vendaval.

Relativo al generador y al tamao del rotor

Un generador pequeo (es decir, un generador con una baja potencia de salida nominal en kW) requiere menos fuerza para hacerlo girar que uno grangenerador pequeo, se estar produciendo electricidad durante una gran cantidad de horas al ao, pero slo se capturar una pequea parte del contenido ende viento. Por otro lado, un generador grande ser muy eficiente a altas velocidades de viento, pero incapaz de girar a bajas velocidades.

As pues, los fabricantes mirarn la distribucin de velocidades de viento y el contenido energtico del viento a diferentes velocidades para determinar culde rotor y de tamao de generador en los diferentes emplazamientos de aerogeneradores.

Adaptar una turbina con dos (o ms) generadores puede ser ventajoso en algunas ocasiones, aunque si vale o no la pena depende realmente del precio de la e

Relativo a la altura de la torre

En la seccin sobre cizallamiento del viento , hemos aprendido que en general las torres ms altas aumentan la produccin de energa de un aerogenerador.pena el coste adicional que supone una torre ms alta depende tanto de la clase de rugosidad como del coste de la electricidad.

El diseo de un aerogenerador no est slo determinado por la tecnologa, sino por una combinacin de tecnologa y economa: los fabricantes de amquinas para producir la electricidad al menor coste posible por kilovatio-hora (kWh) de energa.

Aunque los fabricantes no se preocupan demasiado de si estn utilizando los recursos elicos de forma eficiente: a fin de cuentas el combustible es gratis. maximizar la produccin anual de energa, si esto implica que se tiene que construir un aerogenerador muy caro. A continuacin veremos algunas de latomar.


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VII Criterios de emplazamien

Criterios de emplazamiento


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Rugosidad: perfil vertical del viento

Influencia de obstculosTurbulencias

Abrigo del vientoApantallamiento en parques elicos

Influencia de la orografa: efectos aceleradoresEfecto tnelEfecto colina

A una gran altura de la superficie del suelo, alrededor de un kilmetro, la superficie terrestre apenas ejerceel viento. Sin embargo, en las capas ms bajas de la atmsfera, las velocidades del viento se ven afectadsuperficie terrestre. En la industria elica se distingue entre rugosidad del terreno, la influencia de obstccontorno del terreno, tambin llamada orografa del rea (que ejemplificaremos en ltimo lugar coaceleradores: el efecto tnel y el efecto colina). Aprenderemos en esta seccin sobre criterios y condicione

Condiciones elicas marinas (parques off-shore)

Seleccin del emplazamiento

Rugosidad


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En general, cuanto ms pronunciada sea la rugosidad del terreno mayor ser la ralentizacin que experimente el viento. Obvlas grandes ciudades ralentizan mucho el viento, mientras que las pistas de hormign de los aeropuertos slo lo ralesuperficies de agua son incluso ms lisas que las pistas de hormign, y tendrn por tanto menos influencia sobre el viento

alta y los arbustos ralentizan el viento de forma considerable.

Es un error habitual creer que, en el caso de acantilados y similares, uno puede aadir la altura del acantilado a aerogenerador para obtener su altura efectiva (cuando el viento viene del mar), antes de insertarla en la expresin del perfilde ver para calcular la velocidad del viento. Evidentemente esto no se puede hacer. El acantilado crear turbulencia, incluso de que llegue al acantilado. Por tanto, la variable z de la expresin del perfil de velocidades es la altura desde la bas

En la industria elica, la gente suele referirse a la clase de rugosidad o a la longitud de rugosidad (z0) cuando se trata deelicas de un paisaje. Una alta rugosidad de clase 3 4 se refiere a un paisaje con muchos rboles y edificios, mientras quele corresponde una rugosidad de clase 0. Las pistas de hormign de los aeropuertos pertenecen a la clase de rugosidad 0.5abierto y llano pacido por las ovejas. El trmino longitud de rugosidad se refiere a la mxima distancia sobre el ntericamente la velocidad del viento es nula. En la tabla de la siguiente transparencia pueden consultarse las longitudes decorrespondientes a distintos tipos de paisajes.

Tabla de clases y longitudes de rugosidad


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Clase derugosidad

Longitud derugosidad z0

(m)

ndice deenerga

(%)Tipo de paisaje

0 0,0002 100 Superficie del agua

0,5 0,0024 73Terreno completamente abierto con una superficie lisa, p.ej., pistas en los aeropuertos, csped cortado, etc.

1 0,03 52rea agrcola abierta sin cercados ni setos y con edificios muy dispcolinas suavemente redondeadas

1,5 0,055 45Terreno agrcola con algunas casas y setos resguardantes de 8 metrocon una distancia aproximada de 1250 m.

2 0,1 39Terreno agrcola con algunas casas y setos resguardantes de 8 metrocon una distancia aproximada de 500 m.

2,5 0,2 31

Terreno agrcola con muchas casas, arbustos y plantas, o setos resgu

metros de altura con una distancia aproximada de 250 m.

3 0,4 24Pueblos, ciudades pequeas, terreno agrcola, con muchos o altos seresguardantes, bosques y terreno accidentado y muy desigual

3,5 0,8 18 Ciudades ms grandes con edificios altos

4 1,6 13 Ciudades muy grandes con edificios altos y rascacielos

Definiciones de acuerdo con el Atlas Elico Europeo, WAsP.

Rugosidad: perfil vertical del viento


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0

0

ln/

ref

ref

z zv v

z z

La velocidad del viento a una cierta altura sobre el nivel delsuelo (perfil vertical del viento) es:

, donde

v = velocidad del viento a una altura z sobre el nivel del suelo.vref= velocidad de referencia, es decir, una velocidad de vientoya conocida a una altura z ref.z = altura sobre el nivel del suelo para la velocidad deseada, v.z 0 = longitud de rugosidad en la direccin de viento actual.

El hecho de que el perfil del viento se mueva hacia velocidades ms bajas conforme nos acercamos al nivel del suelo suele llamarscizallamiento del viento tambin puede ser importante en el diseo de aerogeneradores. Considerando un aerogenerador con una altuun dimetro del rotor de 40 metros se observa (para el caso de la grfica) que el viento sopla a 9,3 m/s cuando el extremo de la pala seelevada, y slo a 7,7 m/s cuando dicho extremo se encuentra en la posicin inferior. Esto significa que las fuerzas que actan sobre lsu posicin ms alta son mucho mayores que cuando est en su posicin ms baja.

La figura muestra como vara la velocidad del viento para una rugosidad de clase 2 (sueloagrcola con algunas casas y setos de proteccin a intervalos de unos 500 metros, lo queda una longitud de rugosidad de 0.1 m), considerando que el viento sopla a una velocidadde 10 m/s a 100 metros de altura.

Obstculos y turbulencia


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Seguramente habrs observado que las tormentas suelen venir asociadas a rfagas de viento que cdireccin. En reas cuya superficie es muy accidentada y tras obstculos como edificios, tambincon flujos de aire muy irregulares, con remolinos y vrtices en los alrededores. En la imagen de lde como la turbulencia aumenta las fluctuaciones en la velocidad del viento (puedes compadiapositiva 28). Las turbulencias disminuyen la posibilidad de utilizar la energa del viento de fTambin provocan mayores roturas y desgastes en la turbina elica. Las torres de aero

suficientemente altas como para evitar las turbulencias del viento cerca del nivel del suelo.

Vista lateral de la corriente de viento alrededor de unobstculo

Vista superior de la corriente de viento alredobstculo

Los obstculos del viento tales como edificios, rboles, formaciones rocosas, etc. pueden disminuir la velocidad del viento de forma significaen torno a ellos. Como puede verse en este dibujo de tpicas corriente de viento alrededor de un obstculo (abajo), la zona de turbulencias palrededor de 3 veces superior a la altura del obstculo. La turbulencia es ms acusada detrs del obstculo que delante de l. As pues, lo mejorde las turbinas elicas, y en particular si se encuentran en la parte donde sopla el viento dominante, es decir, "en frente de la turbina".

Abrigo del viento


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Este grfico proporciona una estimacin (obtenida de unasimulacin por ordenador) de cmo disminuye el viento tras unobstculo romo, es decir, un obstculo que no es aerodinmicoy de porosidad nula. En este caso se ha tomado un edificio

de oficinas de 7 plantas, de 20 metros de alto y 60 de ancho,situado a una distancia de 300 metros de un aerogenerador conuna altura de buje de 50 m. El abrigo del viento puede verseliteralmente en diferentes tonos de gris. Los nmeros en azulindican la velocidad del viento en tanto por ciento de lavelocidad del viento sin el obstculo.

En la parte superior de la torre del aerogenerador amarillo lavelocidad del viento ha disminuido en un 3% (hasta el 97 %)de la velocidad del viento sin el obstculo. Observe que esto

representa una prdida de energa del viento (con sudependencia cbica de la velocidad) de alrededor del 10%.

Ef t d l t l

Apantallamientos en el parque elico


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Efecto de la estela

Dado que un aerogenerador produce energa a partir de la energa del viento, el viento que abandona la turbina debetener un contenido energtico menor que el que llega a la turbina (recurdense los fundamentos de la Ley de Betz). Unaerogenerador siempre va a crear un abrigo en la direccin a favor del viento. De hecho, habr una estela tras la turbina,es decir, una larga cola de viento bastante turbulenta y ralentizada, si se compara con el viento que llega a la turbina (laexpresin estela proviene, obviamente, de la estela que deja un barco tras de si). Realmente puede verse la estela tras unaerogenerador si se le aade humo al aire que va a pasar a travs de la turbina, tal y como se ha hecho en la imagen (estaturbina en particular fue diseada para girar en sentido contrario al de las agujas del reloj, algo inusual en losaerogeneradores modernos).

En los parques elicos, para evitar una turbulencia excesiva corriente abajo alrededor de las turbinas, cada una de ellas suele estar separada del resto una ddimetros del rotor. En las direcciones de viento dominante esta separacin es incluso mayor, tal y como se explica en la pgina siguiente.

Efecto del parque

Como cada aerogenerador ralentiza el viento tras de s al obtener energa de l para convertirla en electricidad, lo ideal serapoder separar las turbinas lo mximo posible en la direccin de viento dominante. Pero por otra parte, el coste del terreno y dela conexin de los aerogeneradores a la red elctrica aconseja instalar las turbinas ms cerca unas de otras.

Como norma general, la separacin entre aerogeneradores en un parque elico es de 5 a 9 dimetros de rotor en la direccin delos vientos dominantes (7 en el esquema de la derecha), y de 3 a 5 dimetros de rotor en la direccin perpendicular a los vientosdominantes (4 en el esquema).

Conociendo la altura y el rotor de la turbina elica, la rosa de los vientos, la distribucin de Weibull y la rugosidad en lasdiferentes direcciones, los proyectistas de energa elica pueden calcular la prdida de energa debida al apantallamiento entreaerogeneradores. La prdida de energa tpica es de alrededor del 5 por ciento.

Efectos aceleradores: efectos tnel y colinaA continuacin veremos como obtener ventaja de la orografa del terreno a travs de dos efectos (a veces llamados acel


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A continuacin veremos como obtener ventaja de la orografa del terreno a travs de dos efectos (a veces llamados acely el efecto colina.

Efecto tnel

Si tomas un camino entre dos edificios altos o en un paso estrecho entre montaasobservars que se da el mismo efecto: el aire se comprime en la parte de los edificios o de la

montaa que est expuesta al viento, y su velocidad crece considerablemente entre losobstculos del viento. Esto es lo que se conoce como efectotnel, consecuencia de la leyde conservacin de la masa (ecuacin 1 en la diapositiva de la ley de Betz). As pues, inclusosi la velocidad normal del viento en un terreno abierto puede ser de, digamos, 6 metros porsegundo, en un "tnel" natural puede fcilmente alcanzar los 9 metros por segundo.

Situar un aerogenerador en un tnel de este tipo es una forma inteligente de obtenervelocidades del viento superiores a las de las reas colindantes. Para obtener un buen efectotnel, ste debe estar "suavemente" enclavado en el paisaje. En el caso de que las colinassean muy accidentadas, puede haber muchas turbulencias en ese rea, es decir, el viento

soplar en muchas direcciones diferentes (y con cambios muy rpidos). Si hay muchasturbulencias, la ventaja que supone la mayor velocidad del viento se ver completamenteanulada, y los cambios en el viento pueden causar roturas y desgastes innecesarios en elaerogenerador.

Efecto colina


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Una forma corriente de emplazar aerogeneradores es situndolos en colinas o estribaciones dominando el paisaje circundante. En pventaja tener una vista lo ms amplia posible en la direccin del viento dominante en el rea. En las colinas, siempre se aprecian vea las de las reas circundantes. Una vez ms, esto es debido a que el viento es comprimido en la parte de la montaa que da al viencima de la colina puede volver a expandirse al descender hacia la zona de bajas presiones por la ladera a sotavento de la colina.

Tal y como puede observar en el dibujo, el viento empieza a inclinarse algntiempo antes de alcanzar la colina, debido a que en realidad la zona de altaspresiones se extiende hasta una distancia considerable enfrente de la colina.

Tambin se dar cuenta de que el viento se hace muy irregular una vez pasa atravs del rotor del aerogenerador.

Al igual que ocurra anteriormente, si la colina es escarpada o tiene una superficieaccidentada, puede haber una cantidad de turbulencias significativa, que puede

anular la ventaja que supone tener unas velocidades de viento mayores.

El viento atravesando las cimas de las montaas se hace veloz y denso, y cuando sopla fuera de ellas se vuelve ligero y lento, com

canal estrecho y va a desembocar al mar. Leonardo da Vinci (1452-1519)

Condiciones elicas

Normalmente, el slo hecho de observar la naturaleza resulta de excelente ayuda a la hora de encontrar un emplazamiento

Seleccin del emplazamiento


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apropiado para el aerogenerador. Los rboles y matorrales de la zona sern una buena pista para saber cual es la direccin deviento dominante , como puede verse en la fotografa de la derecha. Si nos movemos a lo largo de un litoral accidentado,observaremos que siglos de erosin han trabajado en una direccin en particular. Los datos meteorolgicos, obtenidos enforma de rosa de los vientos durante un plazo de 30 aos, sean probablemente su mejor gua, aunque rara vez estos datos sonrecogidos directamente en su emplazamiento, por lo que hay que ser muy prudente al utilizarlos, tal y como se ver en laprxima seccin. Si ya existen aerogeneradores en ese rea, sus resultados de produccin son una excelente gua de lascondiciones de viento locales. En pases como Dinamarca y Alemania, en los que a menudo se encuentra un gran nmero deaerogeneradores dispersos por el campo, los fabricantes pueden ofrecer resultados de produccin garantizados basndose en

clculos elicos realizados en el emplazamiento.

Conexin a la red

Obviamente, los grandes aerogeneradores tienen que ser conectados a la red elctrica. Para los proyectos de menoresdimensiones es fundamental que haya una lnea de alta tensin de 10 - 30 kV relativamente cerca para que los costes de

cableado no sean prohibitivamente altos. Los generadores de las grandes turbinas elicas modernas generalmenteproducen la electricidad a 690 V. Un transformador colocado cerca de la turbina o dentro de la torre de la turbinaconvierte la electricidad en alta tensin (normalmente hasta 10 - 30 kV). La red elctrica prxima a los aerogeneradoresdeber ser capaz de recibir la electricidad proveniente de la turbina. Si ya hay muchas turbinas conectadas a la red, la redpuede necesitar refuerzo, es decir, un cable ms grande, conectado quizs ms cerca de una estacin de transformacin dems alto voltaje.

Condiciones del suelo

De lo que hemos aprendido en las pginas anteriores, nos gustara tener una vista lo ms amplia posible en la direccin de viento dominante, as como los mms baja posible en dicha direccin. Si puede encontrar una colina redondeada para situar las turbinas, es posible incluso que consiga adems un efecto aceler

La viabilidad tanto de realizar las cimentaciones de las turbinas (la foto de arriba es muy significativa) como de construir carreteras que permitan la lemplazamiento deben tenerse en cuenta en cualquier proyecto de aerogenerador.

Condiciones elicas marinas (parques off-shore)


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Las superficies de mares y lagos son obviamente muy lisas, por lo que la rugosidad de la superficie marina esmuy baja (a velocidades del viento constantes). Con velocidades de viento crecientes, parte de la energa seemplea en producir oleaje, lo que implica un aumento de la rugosidad. Una vez se han formado las olas, larugosidad decrece de nuevo. Por tanto tenemos una superficie de rugosidad variable (lo mismo ocurre en zonascubiertas con ms o menos nieve). Sin embargo, si generalizamos, puede considerarse que la rugosidad de la

superficie del agua es muy baja y que los obstculos del viento son pocos. Al realizar los clculos deberntenerse en cuenta islas, faros, etc. tal y como se tendran en cuenta los obstculos situados en la direccin dedonde viene el viento o los cambios de rugosidad en la tierra.

Bajo cizallamiento del viento implica menor altura de bujeCon una baja rugosidad, el cizallamiento del viento en el mar es tambin muy bajo, lo que implica que la

velocidad del viento no experimenta grandes cambios al variar la altura del buje del aerogenerador. As pues,puede resultar ms econmico utilizar torres ms bien bajas, de alrededor de 0,75 veces e l dimetro del rotor, enaerogeneradores emplazados en el mar, dependiendo de las condiciones locales (normalmente, las torres de losaerogeneradores situados en tierra miden un dimetro de rotor, o incluso ms).

Baja intensidad de las turbulencias = mayor tiempo de vida de los aerogeneradoresEl viento en el mar es generalmente menos turbulento que en tierra, por lo que en un aerogenerador situado

en el mar se puede esperar un tiempo de vida mayor que en otro situado en tierra. La baja turbulencia del mar sedebe, ante todo, al hecho de que las diferencias de temperatura a diferentes altitudes de la atmsfera que haysobre el mar son inferiores a las que hay sobre la tierra. La radiacin solar puede penetrar varios metros bajo elmar mientras que en tierra la radiacin solar slo calienta la capa superior del suelo, que llega a estar muchoms caliente. Consecuentemente, las diferencias de temperatura entre la superficie y el aire sern menores sobreel mar que sobre la tierra. Esto es lo que provoca que la turbulencia sea menor.

4. La energa elica en cifras
http://www.windpower.org/es/tour/wres/obst.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/obst.htm


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4.1. Energa elica en Espaa


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ENERGA PRIMARIA EN ESPAA (2010) (% energa primaria total)


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(incluidos usosno energticos)

Energa elica generadaE l REE D d E t t d G i ti l
http://www.ree.es/operacion/curvas_demanda.asphttp://www.ree.es/operacion/curvas_demanda.asphttp://www.ree.es/operacion/curvas_demanda.asphttp://www.ree.es/operacion/curvas_demanda.asp


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Enlace REE Demanda y Estructura de Generacin en tiempo real

Generacin elica y cobertura de demanda 1999-20
http://www.ree.es/operacion/curvas_demanda.asphttp://www.ree.es/operacion/curvas_demanda.asphttp://www.ree.es/operacion/curvas_demanda.asphttp://www.ree.es/operacion/curvas_demanda.asp


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Estructura de generacin elctrica


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2009

Energas R

2010

Enlace MITyC: Rgimen Especial

Generacin anual por tecnologa (1998-2010)
http://www.mityc.es/energia/electricidad/RegimenEspecial/Paginas/Index.aspxhttp://www.mityc.es/energia/electricidad/RegimenEspecial/Paginas/Index.aspx


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Variacin interanual en el factor de capacidad(periodo 1998-2010; ao 2010)


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El factor de capacidad es el cociente entre la energa real producida y la que el parque elico h

generado operando continuamente a su potencia nominal

Generacin anual por comunidades (2007-2010)


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Potencia inEvolucin anual de la potencia elicainstalada en Espaa


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Pendiente ~ 2 GW/ao

Potencia een


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Reparto por tecnologas de la potencia instalada(total nacional a 1/1/2011)


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Variacin instalada p(2009 20


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(2009 y 20

La elica frente a las otras energas renovables


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Potencia instalada por comunidades autnomasy evolucin desde 2004


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Poten


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Atlas

La industria elica: proReparto por sociedades de la potencia elica instalada en 2010


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Reparto por fabricantes de la potencia elica instalada enLa industria elica: fabricantes


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Qu aerogeneradores e


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Potencia media de los aerogeneradores instalados cada ao

Qu aerogeneradores e

Videos


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http://www.youtube.com/watch?v=DwZcMBLZ5H4

http://www.youtube.com/watch?v=CX8eP7T_eqk

http://www.youtube.com/watch?v=99z4HrBu6DM

http://www.youtube.com/watch?v=LNXTm7aHvWc (english

DATOS IMPORTANTES
http://www.youtube.com/watch?v=DwZcMBLZ5H4http://www.youtube.com/watch?v=CX8eP7T_eqkhttp://www.youtube.com/watch?v=99z4HrBu6DMhttp://www.youtube.com/watch?v=LNXTm7aHvWchttp://www.youtube.com/watch?v=LNXTm7aHvWchttp://www.youtube.com/watch?v=99z4HrBu6DMhttp://www.youtube.com/watch?v=CX8eP7T_eqkhttp://www.youtube.com/watch?v=DwZcMBLZ5H4


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Existen diferentes tipos de aerogeneradores, dependiendo de sdisposicin de su eje de rotacin, el tipo de generador, etc.

Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o agparques elicos. Son plantas de generacin elica, distanciadootros, en funcin del impacto ambiental y de las turbulencias geel movimiento de las palas.

Para aportar energa a la red elctrica, los aerogeneradores dedotados de un sistema de sincronizacin para que la frecuenci

corriente generada se mantenga perfectamente sincronizada cfrecuencia de la red, (en Espaa, 50 Hz, en Per, 60 Hz).

DATOS IMPORTANTES


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En general, los aerogeneradores modernos de eje horizontal

para trabajar con velocidades del viento que varan entre 3 promedio. La primera es la llamada velocidad de conexinla velocidad de corte.

Bsicamente, el aerogeneradorcomienza produciendo enecuando la velocidad del viento supera a la velocidad de comedida que la velocidad del viento aumenta, la potencia gmayor, siguiendo la llamada curva de potencia.


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DATOS IMPORTANTES


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Asimismo, es necesario un sistema de control de las velocida

rotacin para que, en caso de vientos excesivamente fuerteponer en peligro la instalacin, haga girar a las palas de la hforma que stas presenten la mnima oposicin al viento, cohlice se detendra. Cuando no hay viento, las palas forman45, de modo que el aerogenerador puede extraer el mximde los vientos suaves.

DATOS IMPORTANTES


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Los expertos apuntan a la energa elica como la renovable

competitiva, desarrollada y con mayores posibilidades de cavances tecnolgicos han abaratado y aumentado la eficaaerogeneradores (un aparato de ltima generacin multiplicenerga conseguida con los primeros modelos) y las condiciode energa producida a la red son cada vez mejores.

La mayor cantidad de centrales elicas se encuentra en Eurprincipalmente en Alemania, Espaa y Dinamarca.

Mapa Elic


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Mapa ElicPer

http://dger.minem.gob.peeolicolibro/mapas/dptal/ju

El VientoE l d l id d d i t
http://dger.minem.gob.pe/AtlasEolico/atlaseolicolibro/mapas/dptal/junin.pdfhttp://dger.minem.gob.pe/AtlasEolico/atlaseolicolibro/mapas/dptal/junin.pdfhttp://dger.minem.gob.pe/AtlasEolico/atlaseolicolibro/mapas/dptal/junin.pdfhttp://dger.minem.gob.pe/AtlasEolico/atlaseolicolibro/mapas/dptal/junin.pdf


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Escala de velocidades de viento

Velocidades de viento a 10 mde altura

EscalaBeaufort

(anticuada)Viento

m/s nudos

0,0-0,4 0,0-0,9 0 Calma0,4-1,8 0,9-3,5 1

Ligero1,8-3,6 3,5-7,0 2

3,6-5,8 7-11 3

5,8-8,5 11-17 4 Moderado

8,5-11 17-22 5 Fresco

11-14 22-28 6Fuerte

14-17 28-34 717-21 34-41 8

Temporal21-25 41-48 9

25-29 48-56 10 Fuertetemporal29-34 56-65 11

>34 >65 12 Huracn

En este apartprimero (aquclasificacin

del viento envelocidad (eingls) . A coestudiamos eviento a distigeogrficas.


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VIII. Energa potencial del viento

La Energa en el Viento


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En un ae

el flujo datravieza

funcin d

velocida

el rea d

densidad

Rotor

La Energa en el Viento


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El rea de barrido del rotor est definida por la longitud de la pala.

del viento que acta sobre el rea de barrido se convierte en energ

V = velocidad del

viento

Potencia Cintica del VientoLa potencia cintica es la energa cintica por unidad de tiempo. La potencia cf i d l l id d d l i t d l fl j i l l f i


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El flujo volumtrico de viento se expresa mediante:

[m3/s]

donde :

A = rea del rotor elico [m2]

V = velocidad del viento [m/s]

VAFlujo ovolumtric

funcin de la velocidad del viento y del flujo msico, el cual a su vez es funcin volumtrico y la densidad del aire.

Potencia Cintica del Viento


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El flujo msico de viento se expresa mediante:

[kg/s]

donde :

= densidad del aire [1,2 kg / m3

)A = rea del rotor elico [m2]


VAFlujo msico



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La energa cintica del viento se expresa mediante:

[J]

donde :

m = masa de aire [kg]V = velocidad del viento [m/s]

2

21 VmEnergacintica



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La Potencia Cintica del Viento puede ser evaluada median

[W]

donde :

= densidad del aire [1,2 kg / m3)

A = rea del rotor elico [m2]


3

21 VAPotencia cintica

Potencia de una turbina: coeficiente de potencia CLa fraccin de la energa del viento que una turbina convierte en la prctica en energamecnica de rotacin se llama coeficiente de potencia (CP) de esa turbina. As:


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Potencia de una turbina = CP * Potencia del viento = CPAV3

Ntese que una turbina nunca puede ecintica del viento, puesto que el aire nla turbina (es decir, CP < 1). Su velocidacomo muestra la figura. Por conservacvelocidad disminuye, la seccin del tubconsiderado aumenta.

En el apartado siguiente calcularemoscoeficiente de potencia con que puedturbina (lmite de Betz).

2.3. Lmite de BetzSea un tubo de corriente como el esquematizado en la figura. Se supondr que, a barlovento de la hlice, evelocidad v1(velocidad del viento sin perturbar) en la seccin transversal A1, mientras que la velocidad v2sseccin transversal A2 a sotavento de la zona en que se encuentra la hlice. En el plano que contiene la htransversal batida por la misma (rea del rotor) es un disco imaginario de rea A, siendo v la velocidad del v


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(velocidad til). Asimilamos la hlice a un disco de de rea A que capta parte de la energa del aire en moes decirv2 < v1. Sin embargo, es obvio que v2nunca es cero (no puede extraerse toda la energa cintica d

Modelo de Betz

Qm = Q = A1v1 = A2v2 = A v (1)

El caudal msico (Qm = densidad x caudal = Q)

(conservacin de la masa), es decir:

(Esto explica que el tubo de corriente se ensanche tras laA2 > A1)

Podemos expresar la potencia til transferida pordos maneras:

i) Prdida, por unidad de tiempo, de energa cintica del viento

pasar por la hlice:

2 212 1 2 2 21 2

1 2

1(2)

2

k k kutil

Ad v vE E EP Av v v

t t t

donde hemos utilizado los arvariables definidas dos transpen particular ntese que v =

y ii) el trabajo generado, por unidad de tiempo, por la fuerza del viento (igual, por las leyes 2 y 3 de Newton, a menos la tasa dde movimiento del aire al pasar por la hlice) sobre el rea A:

1 2 2 1 2 (3)util

Ad v vP Fv v Av v v

t

Ntese que, por la 3 ley de Newton:Fuerza del viento = - Fuerza sobre el viento

= - m(v2v1)/t = Av(v1v2)

2 2 21 2 1 21

2Av v v Av v v

De las ecuaciones (2) y (3) anteriores tenemos que

y, por tanto, recordando que (a2b2) = (a+b)(a-b), q


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1 2(4)

2

v vv

Es decir, en el modelo de Betz, y para que las ecuaciones (2) y (3) seanvelocidad del viento en el plano de la hlice (velocidad til) es la medviento antes y despus de la misma.

Insertemos este resultado en, por ejemplo, la expresin (2) para la potencia de la turbina, y hagamos el cade la transparencia anterior, que 0 < b < 1 ):

2 2 2 3 21 1 1 1 11 1

= 1 1 (5)2 2 4

util

v bvP A v b v Av b b

El valor mximo para la potencia se obtiene ahora haciendod

0d

utilP

b , que nos deja

2(1 ) (1 )( 2 ) (1 )(1 3 ) 0b b b b b Solucionesb = -1 (sin

b = 1/3

De modo que la potencia mxima es (sustituyendo la solucin en (5)):

3

1

16 1

27 2utilP Av

es decir, el coeficiente de potencia mximo (ideal) de una turbina elica (vetransparecias atrs) es:

1659 %

27

Betz

PC LIMITE DE

La ley de Betz fue formulada por primera vez por el fsico alemn Albert Betz en 1919. Su l ibro "Wind-Energie", publicado en 1926del conocimiento que en ese momento se tena sobre energa elica y aerogeneradores. Es sorprendente que se pueda hacetan tajante que se pueda aplicar a cualquier aerogenerador con un rotor en forma de disco.

Rendimiento global del aerogenerador


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Consideraciones prcticas.- La ecuacin de Betz proporciona el lmite superior de las posibilidades de unaerogenerador, pero es todava poco realista al no tener en cuenta una serie de factores como:

La resistencia aerodinmica de las palasLa prdida de energa por la estela generada en la rotacinLa compresibilidad del fluidoLa interferencia de las palas

Adems, habr que tener en cuenta adems el rendimiento de los diversos mecanismos que componen elaerogenerador, por lo que considerandopor ejemplo- el siguiente balance para los distintoscomponentes:

Rendimiento de Betz ....................................................... 59,3%Rendimiento de la hlice.................................................. 85%

Rendimiento del multiplicador........................................ 98%Rendimiento del alternador............................................. 95%Rendimiento del t ransformador...................................... 98%

se obtiene un rendimiento global de la instalacin del orden del 46%.



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La potencia extra

viento es funcin

de la velocidad, fu

cuadrtica de la l

de la pala.

La potencia cin

viento puede exp

por unidad de rerotor.

Potencia Terica Mxima


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En 1926, el Dr. Alberformul la mxima po

terica que se puede ex

viento, estableciendo pa

coeficiente de Be



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Existe relacin entre las velocidades, V1 y V2, y la poten

torica mxima del viento que el rotor puede utilizar

Potencia Terica MximaP es la potencia terica mxima que se puede aprovechar del viento, y Po es la potencia cin

Este grfico ilustra como varia el ratio de potencia mxima (P/Po) en funcin al ratio de veloc


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g p ( )

Se observa que la potencia torica mxima se obtiene cuando V2 / V1 es 1/3.



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La Potencia Terica Mxima (Betz) es:

(W)

donde :

= densidad del aire (1,2 kg / m3)

A = rea del rotor elico (m2)

V = velocidad del viento (m/s)

3

21

2716 VAPotencia

mximaterica

Potencias Estimadas


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Las potencias de aerobombas y aerogeneradores pueden seestimadas mediante:

(W)

(W)

donde :

A = rea del rotor elico (m2)

V = velocidad del viento (m/s)

3

3

15,0

10,0

VAPotencia

VAPotencia

doraerogenera

aerobomba

Densidad del Aire


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La densidad del aire () puede ser evaluada mediante:

[kg/m3]

donde :

P = presin [Pa]

R = constante universal [287 J/kg-K]

T = temperatura [K]

RT

P

Densidad del Aire


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Asociacin Dane

Potencia por unidad de rea


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Considerando la densidad del aire 1,225 kg/m3, se puede obtener v

potencia por unidad de rea del rotor, expresada en Watts p

La densidad del aire, a determinada altura, se evala media

Variacin Densidad vs. Altura


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[kg/m3

]

donde :

Z = altura [m]

Po = presin a nivel del mar : 1,01325 x 105 Pa

R = constante universal : 287 J/kg-Kg = aceleracin de la gravedad : 9,81 m/s2

To = temperatura a nivel del mar : 288 K

= coeficiente : 0,0065 K/m

RT

T

ZP

R

g

oo

1

La temperatura del aire, a determinada altura, se estima med

Variacin Temperatura vs. Altura


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[K]

donde :

Z = altura [m]

= coeficiente : 0,0065 K/m

To = temperatura a nivel del mar : 288 K

ZTT o

Aspectos relacionados con: Rugosidad, Turbulencia, Aceleracin

Seleccin de la Ubicacin


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Rugosidad: el efecto de la rugosidad del terreno es la ralentizacin de la velocid

Es decir, el la velocidad del viento variar con la altura hasta determinado nivel, el efecto de la rugosidad del terreno ya no ser apreciable.

Turbulencia: en reas cuya superficie es accidentada y tras obstculos como ed

producen turbulencias con flujos de aire irregulares, con remolinos y vrtices en

alrededores.

Aceleracin: el flujo de aire tiende a incrementar su velocidad cuando se aproxim

superficies con perfil aerodinmico, ocasionando distorsiones en la distribucion

rgimen de viento.

Rugosidad


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Rugosidad del Terreno


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Asociacin Dane

Rugosidad del Terreno


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Asociacin Dane

La velocidad del viento vara con la altura en funcin a la rugosidad del tevariacin se puede estimar mediante:

Velocidad vs. Rugosidad


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variacin se puede estimar mediante:

)/()/(

)()(

or

o

r zzLnzzLn

zVzV

V(z) = Velocidad a la altura z [m/s]

V(zr) = Velocidad a la altura z referencial [m/s]

z = altura z [m]

zr= altura z referencial [m]

zo = rugosidad del terreno [m]

La variaci

velocidad del v

altura es ma


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altura es ma

valores altos de

A medidarugosidad dis

variacin de la

del viento con

meno

Para comparar velocidades en dos ubicaciones:

Velocidad vs. Rugosidad

60


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)()60

(

)(60

)(

)(

or

r

o

oor

r

z

zLn

zLn

z

zLn

zLn

zV

zV

V(z) = velocidad a la altura z [m/s]

V(zr

) = velocidad a la altura z de referencia [m/s]

z = altura z [m]

zr = altura z de referencia [m]

zo = rugosidad del terreno [m]

zor = rugosidad del terreno de referencia [m]

Turbulencia


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El fenmeno de turbulencia ocasionado por el viento se puede apreciar a drelativamente grandes, antes y despus de la ubicacin de un objeto, as coencima del mismo, segn se ilustra en el rea sombreada.

Aceleracin


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El viento tiende a acelerarse en la cima de las colinas, segn se ilustra eubicada por encima del rea sombreada.

Medicin de VelocidadesExisten anemme

modernos que


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almacenar datoelectrm

En la figura se instrumento que p

velocidades de vrango de 0 a 44resolucin de 0

precisin de +/- 0,5puede medir dirviento de 0 a

resolucin de 1,4 y+/- 5

Variacin de la Velocidad


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La velocidad es variable entiempo, an emuy breves. Eilustra la variavelocidad decaptada por logger digital intervalo de asegundos.

Distribucin de Tiempo


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La grfica muestra la variacin de la velocidad del viento en fuestableciendo un promedio durante el da.

Distribucin de Tiempo


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La grfica muestra la variacin de la velocidad del viento emensual, estableciendo un promedio durante el a

La cartilla mcantidad de velocidad d


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correspondiemuestra, qencuentra

determinadode velocidad4, 5 y 6 m/s),

distribuir los v

interva

Distribucin de Frecuencia

La grficcantid


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cantiddurante

intervalode vientopresen

forma serangos dde vient

frecuen

La grdis

acumcantid


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ca ddurante

diferenteveloencuent

De esesta

probabi

dispovelociddura


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La distribucin acumulada de la cantidad de horas, durante intervalo de velocidades de viento se encuentra presente, p

cuntas horas al mes se espera tener un valor mnimo de veviento.

Distribucin de Weibull


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La falacia de la botella promedio ?

La distribucin de Weibull permite establecer las caracterstregmenes de viento. En la figura se observa la diferencia entre

de viento promedio (altura de la botella) y la potencia proviento (volumen de la botella).

Distribucin de Weibull

En la grfica


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En la grfica cuantitativame

potencia promviento difiere d

correspondievelocidad prom

viento

Funcin de Densidad de PotenciaLa densidad de potencia resumultiplicar la potencia de cadvelocidad del viento con la


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e oc dad de e o co aprobabilidad Weibull de cadavelocidad del viento. La curva

original de Weibull cambiar dforma debido a que las altasvelocidades del viento tienen mayor parte de la potencia deviento.

EJERCICIO 1

Un aerogenerador est ubicado en una zon


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gvientos dominantes del noroeste con veloc

medias de 40km/h. El radio de las palas es dcoeficiente de aprovechamiento es c=03.a) Determinar la potencia total incidente eb) Determinar la potencia elctrica generaDato: densidad del aire d=1293kg/m3

21Potencia cintica


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A

B

EJERCICIO 2


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Un aerogenerador sita sus paletas a una a

25 metros donde el viento sopla con unavelocidad media de 45Km/h.. El radio de lade 7m y el coeficiente de aprovechamientc=04.Calcular:a) La potencia generada si las hlices tiene

radio de 5m.b) El radio de las hlices necesario para gepotencia de 50Kw.Dato: densidad del aire d=1293kg/m3.


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CLCULO SIMPLE DE LA HLICEDE UN AEROGENERADOR

A t f i l l l


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Aqu se presenta una forma simple para calculforma geomtrica de la hlice de aerogeneraturbinas elicas. La hlice resultante se aproximbastante a la que es capaz de captar la mayopotencia disponible en el viento.

Dimetro de la hliceLa potencia elctrica Pe que puede generar una turbina eolica es:DondeCp = Coeficiente de potencia de la hlice (para unab hli C 0 40)


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buena hlice Cp = 0,40)g = Rendimiento del generador elctrico (para un

buen generador g = 0,90.t = Rendimiento de transmisin. Si la turbina posee unmultiplicador de velocidad de giro t = 0,90 para cajade engranajes, t = 0,85 para cadenas, t = 0,8 paracorreas. Si tiene transmisin directa t = 1). =1,225 Kg/m3 densidad del aire a nivel del mar.V = Velocidad del viento para la cual la turbina generala potencia elctrica Pe.

V = 9 m/seg para una zona de vientos razonables. V = 11m/seg para una zona de fuertes vientos.


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D es el dimetro de la hlice capaz de generar una potencia ecuando enfrenta un viento de velocidad V.

Velocidad de RotacinEn forma aproximada supondremos que la velocidad tangencial depunta de la pala de la hlice es de 60 m/seg.


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Semana 06_Lección 10 Centrales Eléctricas

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