ENERGÍA EÓLICA Roberto Best y Brown

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1 ENERGÍA EÓLICA Roberto Best y Brown
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA ENERGÍA EÓLICA Roberto Best y Brown (original de Oscar Jaramillo… quien a su vez lo obtuvo (casi todo) de: Copyright Asociación danesa de la industria eólica Actualizado el 10 de mayo 2003 ) 02/04/ :17 a.m.

2 900 a.C. 1800 1888 1891 1956 Historia del uso de la energía eólica
900 a.C. 1800 1888 12 KW 1891 Paul Le Cour 1956 Gedser Historia del uso de la energía eólica 02/04/ :17 a.m.

3 Pioneros de la turbina eólica
Charles F. Brush ( ) 02/04/ :17 a.m. Poul la Cour ( )

4 Johannes Juul y las turbinas Vester Egeborg F.L. Smidth
02/04/ :17 a.m. La turbina Riisager La máquina Tvind Bonus 30 kW

5 ¿De dónde viene la energía eólica?
Todas las fuentes de energía renovables provienen del Sol que irradia 174,423,000,000,000 kWh hacia la Tierra. Alrededor de 1 a 2 % de esta energía se convierte en energía eólica. Imagen de rayos infrarrojos de la superficie del mar (tomada de un satélite de la NASA, NOAA-7, en julio de 1984). Las diferencias de temperatura conllevan la circulación de aire. Las regiones alrededor del ecuador (0° de latitud), son calentadas por el Sol más que las zonas del resto del globo. Estas áreas calientes están indicadas en colores cálidos, rojo, naranja y amarillo, . 02/04/ :17 a.m.

6 La fuerza de Coriolis Debido a la rotación del globo, cualquier movimiento en el hemisferio norte es desviado hacia la derecha, si se mira desde nuestra posición en el suelo (en el hemisferio sur es desviado hacia la izquierda). Esta aparente fuerza de curvatura es conocida como fuerza de Coriolis (debido al matemático francés Gustave Gaspard Coriolis ). En el hemisferio norte el viento tiende a girar en el sentido contrario al de las agujas del reloj (visto desde arriba) cuando se acerca a un área de bajas presiones. En el hemisferio sur el viento gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de áreas de bajas presiones. 02/04/ :17 a.m.

7 Latitud 90-60°N 60-30°N 30-0°N 0-30°S 30-60°S 60-90°S
¿Cómo afecta la fuerza de Coriolis a los vientos globales o geostróficos? Latitud °N °N 30-0°N 0-30°S °S °S Dirección NE SO NE SE NO SE 02/04/ :17 a.m.

8 El viento geostrófico La Tierra tiene un diámetro de km y la troposfera (donde tienen lugar todos los fenómenos meteorológicos) se extiende hasta los 11 km de altitud. En el dibujo puede verse una extensión de islas de 300 km y la altura aproximada de la troposfera. Visto a una escala diferente: si el globo fuese una bola de 1,2 metros de diámetro, la atmósfera sólo tendría un espesor de 1 mm. Los vientos geostróficos son generados por las diferencias de temperatura, así como por las de presión, y apenas son influenciados por la superficie de la tierra. Vientos de superficie Los vientos están mucho más influenciados por la superficie terrestre a altitudes de hasta 100 metros. El viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos. Las direcciones del viento cerca de la superficie serán ligeramente diferentes de las de los vientos geostróficos debido a la rotación de la tierra (fuerza de Coriolis) 02/04/ :17 a.m.

9 Vientos locales 02/04/ :17 a.m.

10 La energía en el viento: densidad del aire y área de barrido del rotor
Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) actuando sobre las palas del rotor. Con un rotor de 54 metros de diámetro (aerogenerador típico de kW) cada cilindro pesa realmente 2,8 toneladas, es decir, veces 1,225 kg. La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen. El área del rotor determina cuanta energía del viento es capaz de capturar una turbina eólica. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor, una turbina que sea dos veces más grande recibirá 2 x 2 = cuatro veces más energía. 02/04/ :17 a.m.

11 Los aerogeneradores desvían el viento
Un aerogenerador desviará el viento antes de que el viento llegue al plano del rotor. El viento se moverá más lentamente en la parte izquierda del rotor que en la parte derecha. Esto significa que nunca seremos capaces de capturar toda la energía del viento utilizando un aerogenerador (ley de Betz). La masa del aire contenida en un volumen V es: El viento es aire en movimiento. Toda masa en movimiento posee energía cinética. Si la masa de aire se mueve con la velocidad v = xt Entonces la energía del viento es 02/04/ :17 a.m.

12 Potencia = Energía / tiempo
La potencia del viento: cubo de la velocidad del viento Potencia = Energía / tiempo Densidad de potencia eólica 02/04/ :17 a.m.

13 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
Medición de la velocidad del viento: anemómetros Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmente usando un anemómetro de cazoletas. Este anemómetro tiene un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El número de revoluciones por segundo son registradas electrónicamente. Normalmente, el anemómetro está provisto de una veleta para detectar la dirección del viento. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN 02/04/ :17 a.m.

14 Rugosidad y cizallamiento del viento
Las velocidades del viento se ven afectadas por la fricción con la superficie terrestre. La gráfica muestra como varía la velocidad del viento en una rugosidad de clase 2 (suelo agrícola con algunas casas y setos de protección a intervalos de unos 500 metros), considerando que el viento sopla a una velocidad de 10 m/s a 100 m de altura. 02/04/ :17 a.m.

15 Perfil idealizado sobre el terreno
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16 Variabilidad de la velocidad del viento
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17 Obstáculos del viento 02/04/ :17 a.m.

18 Efecto de la estela Un aerogenerador siempre va a crear un abrigo en la dirección a favor del viento. De hecho, habrá una estela tras la turbina, es decir, una larga cola de viento bastante turbulenta si se compara con el viento que llega a la turbina (la expresión estela proviene, obviamente, de la estela que deja un barco tras de si). 02/04/ :17 a.m.

19 Distribución en planta del parque
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20 Efecto túnel y efecto colina
Efecto túnel. El aire se comprime en la parte de la montaña que está expuesta al viento, y su velocidad crece entre los obstáculos del viento. Efecto colina. El viento es comprimido en la parte de la montaña que da al viento, y se expande al descender hacia la zona de baja presión por la ladera a sotavento de la colina. 02/04/ :17 a.m.

21 Selección del emplazamiento de un aerogenerador

22 Selección del emplazamiento de un aerogenerador

23 Mapas eólicos 02/04/ :17 a.m.

24 Descripción de las variaciones del viento: distribución de Weibull
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25 Coeficiente de Betz 02/04/ :17 a.m.

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28 Función de densidad de potencia: Potencia del viento
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29 Esquema de una turbina eólica:
1-Cimientos 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-Caja de cambios 11-Pala 12-Inclinación de la pala 13-Rueda del rotor

30 Diferentes configuraciones de aspas (palas) para los rotores.
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31 Tipos de aerogeneradores:
Por el tipo de eje: Eje Vertical: VAWT, (vertical axis wind turbines), el eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo y a la dirección del viento. Ventaja: la eliminación de los complejos mecanismos de direccionamiento y las fuerzas a las que se someten las palas ante los cambios de orientación del rotor, y no tienen que desconectarse con velocidades altas de viento. Desventaja: presenta una capacidad pequeña de generar energía. Tipos: Darrieus: Consiste en dos o tres arcos que giran alrededor del eje. Sabonius: Dos o más filas de semicírculos colocados opuestamente alrededor del eje. Panémonas: Cuatro o más semicírculos unidos al eje central. Eje Horizontal: HAWT, (horizontal axis wind turbines), ventaja altura de entre 40 y 60 metros del suelo, aprovecha mejor las corrientes de aire, mecanismos en la torre y la góndola, eficacia muy alta. desventaja grandes dimensiones, la fuerza que tiene que resistir las palas y en velocidades altas de viento, más de 100 Km/h deben de ser parados para evitar daños estructurales. 02/04/ :17 a.m.

32 Por la orientación con respecto al viento:
Tipos de aerogeneradores: Por la orientación con respecto al viento: A barlovento: También denominado a proa. Consiste en colocar el rotor de cara al viento, ventaja el evitar el abrigo del viento tras la torre. desventaja diremos que necesita mecanismo de orientación del rotor, y que esté situado a cierta distancia de la torre. A sotavento: (a popa). Ventaja: presenta que el rotor puede ser más flexible, y que no necesita mecanismo de orientación. desventaja es la fluctuación de la potencia eólica, debido al paso del rotor por el abrigo de la torre, por lo que crea más cargas de fatiga en la turbina que con el diseño anterior. Por el número de palas De una pala: necesitan de un contrapeso, velocidad de giro es muy elevada, que introduce en el eje unos esfuerzos muy variables De dos palas ahorro en cuanto a coste y peso, pero por el contrario necesitan una velocidad de giro más alta para producir la misma cantidad de energía. De tres palas Múltipla 02/04/ :17 a.m.

33 Tipos de aerogeneradores:
Por la adecuación de la orientación del equipo a la dirección del viento en cada momento. Mediante conicidad: Mediante un motor eléctrico y una serie de engranajes permiten el giro de todo el sistema, dejando perfectamente orientado el aerogenerador a la dirección del viento. Mediante una veleta: Se emplea en equipos pequeños y de tamaño no muy grande, siendo el método más sencillo para orientar los aerogeneradores. Mediante molinos auxiliares: consiste en instalar a ambos lados de la góndola dos rotores, los cuales son movidos por la propia fuerza del viento. 02/04/ :17 a.m.

34 Tipos de aerogeneradores:
Por el control de potencia Sistemas de paso variable: Consiste en que las palas varían su ángulo de incidencia con respecto al viento. De esta forma cuando la potencia del viento es excesiva, se disminuye la resistencia de las palas con respecto al viento, evitando posibles daños estructurales. El mecanismo que rige este sistema funciona de forma hidráulica. Diseño de las palas: También conocido como diseño de regulación por pérdidas aerodinámicas. En este diseño la pala está ligeramente curvada a lo largo de su eje longitudinal, de esta forma la pala pierde la sustentación de forma paulatina y gradual, en vez de hacerlo bruscamente, cuando la velocidad del viento alcanza valores críticos. Regulación activa por perdida aerodinámica: En este caso se aumenta el ángulo de paso de las palas para llevarlas hasta una posición de mayor pérdida de sustentación, y poder consumir de esta forma el exceso de energía del viento. Sus principales ventajas son que la producción de potencia pude ser controlada de forma más exacta que con la regulación pasiva, y que puede funcionar a la potencia nominal con casi todas las velocidades de viento. 02/04/ :17 a.m.

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36 Curva de potencia de un aerogenerador
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37 Componentes de un aerogenerador
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38 Aspas (palas) del aerogenerador
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39 Aspas (palas) del aerogenerador
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40 Mecanismos de control El Mecanismo de orientación mecanismo de orientación de un aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento. En un aerogenerador de regulación por cambio del ángulo de paso, el controlador electrónico de la turbina comprueba varias veces por segundo la potencia generada 02/04/ :17 a.m.

41 Torres de aerogeneradores
En los grandes aerogeneradores las torres tubulares pueden ser de acero, de celosía o de hormigón. Las torres tubulares tensadas con vientos sólo se utilizan en aerogeneradores pequeños (cargadores de baterías, etc.). 02/04/ :17 a.m.

42 Instalación y mantenimiento
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43 Tamaño de aerogeneradores

44 Centrales Eoloeléctricas Modernas
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45 Generación eléctrica 02/04/ :17 a.m.

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47 TOTAL MUNDIAL: 159,213 MW (SEPTIEMBRE 2009)
Latinoamérica: MW TOTAL MUNDIAL: 159,213 MW (SEPTIEMBRE 2009) 02/04/ :17 a.m.

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53 El proceso de conversión viento-electricidad:
Impacto Ambiental El proceso de conversión viento-electricidad: - No libera gases de efecto invernadero. - No emite contaminantes atmosféricos. - No utiliza agua. - No genera residuos peligrosos. La fuente de energía (el viento): - Es inagotable ya que se deriva de procesos atmosféricos perennes. - Está en la superficie y no requiere procesos de extracción. - Su manejo y posibles accidentes en su explotación no implican riesgos ambientales de alto impacto, tales como derrames por transporte, explosiones, incendios, etcétera. 02/04/ :17 a.m.

54 Generación de Ruido Para que las centrales eoloeléctricas no ocasionen molestias de ruido a sus vecinos, algunos países han emitido normas ambientales que limitan su cercanía a lugares habitados. 02/04/ :17 a.m.

55 Generación de Ruido Problema del ruido 02/04/ :17 a.m.

56  Colisión con aves, rutas migratorias.
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57 Sombra proyectada por los aerogeneradores
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58 Costos En la inversión inicial, el costo del aerogenerador incide en el 60 a 70%. El costo medio de una central eólica es, hoy, de unos Euros por kW de potencia instalada. Vida útil de la instalación (~ 20 años) – amortización. Costos financieros. Costos de operación y mantenimiento (Entre el 1 y el 3% de la inversión). La energía global producida en un período de un año, es decir el denominado factor de planta de la instalación (curvas de potencia). En agosto de 2011 licitaciones en Brasil y Uruguay para compra a 20 años presentaron costos inferiores a los U$S65 el MWh. 02/04/ :17 a.m.

59 Aspectos económicos de la energía eólica
Indicadores del costo nivelado de producción para costos de inversión entre 900 y 1,200 USD/kW 02/04/ :17 a.m.

60 · Sitios con información anemométrica recabada por el IIE y CFE
Situación En México ·    Sitios con información anemométrica recabada por el IIE y CFE 02/04/ :17 a.m.

61 · Regiones potenciales
·    Regiones potenciales 02/04/ :17 a.m.

62 Comisión Federal de Electricidad
Lugar: La Venta, Oax. Modelo: V-27 Fabricante: Vestas Capacidad: 7 x 225 kW Rotor: palas Diámetro: 27 metros Altura: metros 02/04/ :17 a.m.

63 Compañía Exportadora de Sal
Lugar: Guerrero Negro, B.C.S. Modelo: MWT-250 Fabricante: Mitsubishi Heavy Industries, LTD. Capacidad: 250 kW Rotor: palas Diámetro: 25 metros Altura: metros 02/04/ :17 a.m.

64 Cementera Apasco Lugar: Ramos Arizpe, Coah. Modelo: Z-40
Fabricante: Zond Systems, Inc. Capacidad: 550 kW Rotor: palas Diámetro: 40 metros Altura: metros 02/04/ :17 a.m.

65 Comisión Federal de Electricidad
Lugar: Guerrero Negro, B.C.S. Modelo: V-44 Fabricante: Gamesa Eólica Capacidad: 600 kW Rotor: palas Diámetro: 44 metros Altura: metros 02/04/ :17 a.m.

66 Aerogeneradores en las cornisas
Cambiar el modelo clásico de aerogeneradores sobre un mástil, no apto para entornos urbanos, es la aportación de la empresa AeroVironment en el ámbito de las energías renovables. Es una innovadora forma de producir electricidad por medio de pequeños aerogeneradores que pueden instalarse en las cornisas de los edificios o naves industriales. La empresa, ubicada en Monrovia (California, USA), posee una gran experiencia de investigación y diseño en el sector de la aeronática utilizando energía solar y eólica. El modelo AVX400, disponible al público este otoño (2006), incorpora unas características que lo hacen muy viable para ser explotado en entornos urbanos. Sus palas han sido diseñadas para trabajar con bajas velocidades del viento (desde 3 m/s), reduciendo sensiblemente los ruidos y vibraciones (el mayor inconveniente para la instalación de aerogeneradores en edificios). Sin embargo, más significativo aún es el descubrimiento, por la citada compañía, de que en las cornisas de los edificios anchos, no importa si son altas o no, la fuerza del viento se intensifica a medida de que sube por la fachada y llega hasta el tejado. La visera opcional (ver la fotografía) ofrece la posibilidad de integrar una especie de jaula protectora para las aves, sin que esto afecte al rendimiento. Cada uno de los aerogeneradores tiene una potencia de 400 W y se colocan en fila a lo largo de la cornisa, por lo que no ocupan nada de la superficie del tejado, por lo que pueden convivir con otros sistemas de generación, por ejemplo, con tejados solares fotovoltaicos. El precio se sitúa entre $ 5y $ 7 por watio instalado. AeroVironment ofrece un sistema con un mínimo de potencia de 6kW (15 aerogeneradores) a un precio de $ En condiciones normales de viento, este sistema podría producir kWh al año. Vía :: Treehugger | BuildingGreen.com 02/04/ :17 a.m.

67 Proyecto windstalk Es capaz de producir cantidades de energía semejantes a las obtenidas por las turbinas convencionales, pero en lugar de emplear hélices, utiliza 1,203 tallos de fibra de carbono reforzado con resina, los cuales tienen una altura de 55 metros y al ser mecidos por el viento generan electricidad. 02/04/ :17 a.m.

68 Power flower wind turbine
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69 VIDEOS Mar del Norte Proyectos futuros Eólica y el Hidrogeno
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70 · La generación eoloeléctrica fomenta
·    La generación eoloeléctrica fomenta Investigación y Desarrollo en varias ramas de la ingeniería Creación de nuevos empleos. Impulso al desarrollo regional. Atracción de la inversión privada. Contribución a reactivar la planta productiva. Creación de pequeñas y medianas empresas Abastecimiento de electricidad utilizando fuentes locales de energía. Ahorro de combustibles fósiles Disminución de riesgos en el abastecimiento de energéticos. 02/04/ :17 a.m.

71 No se puede controlar el viento, pero se pueden construir molinos.
Proverbio Holandés. El pesimista se queja del viento, el optimista espera que cambie, el realista ajusta las velas. William George Ward No hay viento favorable para el que no sabe donde va. Séneca 02/04/ :17 a.m.