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Curso de Energía Eólica

Elementos de una instalación de Eólica

Los elementos que forman parte de una instalación eólica son:

  • El viento y su aprovechamiento energético.
  • El aerogenerador como elemento de conversión de la energía cinética del viento en energía eléctrica para autoconsumo (eólica aislada) o para venta con conexión a la red eléctrica.
  • El Parque eólico como sistema integrador de las tecnologías eólicas para conexión a la red eléctrica. Dependiendo del emplazamiento del parque eólico hablaremos de eólica terrestre (On-Shore) o eólica marina (Off-Shore).


El Viento

Es un fenómeno meteorológico que causa el movimiento del aire en la atmósfera y especialmente en la troposfera (capa de la atmósfera que está en contacto con la superficie de la Tierra).

Su origen está en los movimientos de rotación y traslación de la tierra sumados a la acción del sol que calienta más o menos el aire de las diferentes zonas de la tierra, provocando diferencias de presión. 

Podemos encontrar dos grandes grupos de vientos:

  • Planetarios o globales: Son corrientes constantes ocasionadas por los cambios de temperatura y presión en la atmósfera (vientos alisios, vientos del oeste, monzón...). Transportan una gran energía.
  • Regionales o locales: Son vientos ocasionales provocados por causas diversas como la altura, el relieve o rugosidades del terreno. Ejemplos son la brisa marina, la brisa de montaña, o la brisa de valle.

El cálculo del viento para un emplazamiento eólico es la suma de ambos tipos de viento (globales y locales) y en ocasiones los vientos locales pueden ser predominantes a los globales.

Las medidas que se deben analizar son la velocidad del viento mediante un anemómetro y su dirección o punto desde el que se origina medido con la veleta.

Para considerar un viento apto para generar energía eléctrica mediante un aerogenerador este debe tener una velocidad entre 3 m/s (velocidad de arranque) y 25 m/s (velocidad de corte).

La energía cinética que contiene el viento antes de pasar por el aerogenerador para convertirse en energía eléctrica se puede calcular de con la siguiente fórmula:

P = 0,5· ρ · S ·V3 Potencia del viento

En los aerogeneradores actuales se puede llegar a aprovechar hasta un 50 % de la energía del viento para transformarla en energía eléctrica.

Por ejemplo un aerogenerador actual "Gamesa G90-2.0 MW" de 90 metros de diámetro de pala, con un área de barrido del rotor de 6.362 m2  y con una velocidad del viento de 11 m/s puede llegar a producir 2 MW de potencia eléctrica nominal. La potencia del viento sería según este cálculo de 5.136 KW (unos 5 MW). Vemos que el rendimiento de este aerogenerador será aproximadamente del 40%.



El Aerogenerador

Podemos diferenciar varios elementos importantes en un aerogenerador necesarios para aprovechar la energía del viento y producir energía eléctrica:

  • Obra civil (Cimentación): Actúa como soporte del aerogenerador. Su forma suele ser hexagonal o cuadrada de hormigón armado.
    Cimentación aerogenerador
  • Torre: Sirve de sustento a la góndola y el rotor y suelen ser de forma tubular con diámetro creciente hacia la base, para lograr mayor resistencia y ahorro de material (acero).
    Torre aerogenerador
  • Góndola (Nacelle): Fabricada normalmente en estructura de acero con cierre de fibra de vidrio. Es el contenedor de los elementos de transformación de la energía mecánica en eléctrica (Generador, multiplicador, freno). También lleva incorporada la veleta y el anemómetro.
    Gondola aerogenerador
  • Rotor: Conjunto formado por las palas y el buje (elemento de unión de las palas). Puede contener un sistema actuador de paso que permita girar a las palas sobre si mismas.
  • Palas: Fabricadas normalmente con plástico reforzado (poliéster o epoxy) con fibra de vidrio ("GRP"). Son similares a las alas de un avión.
  • Multiplicador y generador eléctrico: El multiplicador adapta y aumenta la velocidad de giro del rotor para que sea efectiva en el generador. El generador eléctrico a su vez transforma esa energía mecánica del rotor en energía eléctrica a través del alternador generando corriente alterna. Existen dos tipos de generadores, síncronos y asíncronos, siendo este último el más utilizado.
     
    Generador Ingeteam

    En la imagen de la izquierda puedes ver un modelo de generador eléctrico para eólica de la empresa Española Ingeteam.

    Los generadores de La División de Energía de Ingeteam "Indar Electric" ocupan un 11% de la cuota de mercado mundial, con más de 9.900 MW de potencia instalada.

    Su rango de potencia va desde los 850 kW hasta los 7,5 MW, se refrigeran por aire o agua y ofrecen tensiones desde los 690 V hasta los 15 kV.

  • Sistemas auxiliares (hidráulicos y de orientación): Son los encargados de mover el rotor para situarlo perpendicularmente al viento. También se encargan del frenado de la góndola y del giro de las palas sobre su eje.
  • Controlador electrónico (PLC y SCADA): Sistema electrónico formado por un PLC (Controlador lógico programables o Autómata) que se encarga del control de todo el sistema eléctrico y electrónico del aerogenerador y un SCADA (Software de control y adquisición de datos) para monitorizar las variables del aerogenerador sobre un PC y actuar sobre el proceso en tiempo real.
Elementos eje horizontal
  • 1. Cimentación
  • 2. Conexión a la red eléctrica
  • 3. Torre
  • 4. Escalera de acceso
  • 5. Sistema de orientación
  • 6.   Góndola
    7.   Generador
    8.    Anemómetro
    9.    Freno
    10. Multiplicador
  • 11. Pala
  • 12. Inclinación de la pala
  • 13. Buje del rotor

A nivel Mundial, las principales empresas fabricantes de aerogeneradores en función de su potencia instalada son:

Fabricantes aerogeneradores

Fuente: BTM Consult APS - Marzo 2009

Puedes acceder desde el enlace siguiente, a una descripción del proceso de fabricación y montaje de aerogeneradores de la empresa Española Gamesa: fabricación y montaje de los aerogeneradores

También puedes acceder a un vídeo presentación de la empresa Gamesa (en Inglés) en donde se detallan los pasos en el montaje de su nuevo aerogenerador "Gamesa G10X-4.5 MW"



Tipos de aerogeneradores

La clasificación más utilizada es la que tiene en cuenta la posición de su eje de rotación existiendo dos tipos:

  • De eje horizontal: Es el más utilizado y su funcionamiento y componentes los puedes ver en el apartado anterior.
  • De eje vertical: El eje gira perpendicular al suelo. El modelo más conocido es el "Darrieus" con sus palas en forma de "C".
     
    Aerogenerador vertical Darrieus Ventajas:
    • No necesita un sistema de orientación para situar el rotor en contra del viento
    • El multiplicador y el generador se pueden colocar en el suelo
    Desventajas:
    • Su eficiencia es menor que los de eje horizontal.
    • No es de arranque automático.
    • Al estar a nivel del suelo el viento que recibe es menor.
    • Necesita cables tensores para su sujeción.

El aerogenerador más utilizado es el de tipo horizontal de tres palas con rotor a barlovento.

Puedes acceder al enlace para ver un vídeo que muestra las fases del montaje de un aerogenerador comercial.

http://ingenieriaenlared

 



Eólica aislada

Anotación
La mayoría de los conceptos anteriores pueden aplicarse a aerogeneradores destinados a la eólica aislada como a la eólica conectada a red para venta. La diferencia es que los mini-aerogeneradores para aislada tienen un límite teórico de potencia de unos 100KW (aunque no suelen superar los 10KW).

A continuación vemos un esquema de un sistema autónomo para producción de energía eléctrica en una vivienda aislada, en el cual se combinan la energía eólica de un mini-aerogenerador con la energía fotovoltaica.

Eólica aislada

La instalación es sencilla y el impacto visual bajo: El mini-aerogenerador puede situarse en el propio tejado de la vivienda aislada (bastaría con 2 metros de mástil) o sobre una pequeña torre de no más de 20 metros de altura (frente a los más de 100 metros de una torre para eólica conectada a red).

Es una solución que en combinación con la energía fotovoltaica puede abastecer de energía eléctrica a lugares donde es complicado que llegue la electricidad.

Como método de almacenamiento de energía eléctrica se utilizan las baterías las cuales se cargan mediante un regulador que a su vez las protege contra sobrecargas o descargas.

El inversor es el elemento que convierte la corriente continua de las baterías en corriente alterna para su uso en aparatos electrodomésticos (también pueden utilizarse aparatos que funcionan directamente con corriente continua pero su precio es superior).



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