Ingeniería de la energía eólica E-Book

Miguel Villarubia López

• Herausgeber: Marcombo
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Nuevas energías
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2012

Seitenzahl: 422

Beschreibung

La energía eólica ha experimentado importantes progresos técnicos y económicos. Se han mejorado significativamente aspectos tales como la gestión y el mantenimiento, la integración de la energía eléctrica en la red, la adaptación del diseño de aerogeneradores a las características de los emplazamientos, la regulación y control, la predicción de producción a corto plazo y la economía de escala con una mejora de los costes de inversión y de producción eléctrica. También se ha iniciado el desarrollo de la energía eólica marina que ya ha demostrado su viabilidad técnica y económica. En este libro se exponen y desarrollan los aspectos que un técnico energético debe conocer y aplicar para la concepción, proyecto, implantación y gestión de un sistema de energía eólica, en especial para la producción eléctrica. Después de un primer capítulo donde se exponen los aspectos generales de la energía eólica, en los capítulos segundo y tercero se describe respectivamente la física del viento y la medición y tratamiento de los datos eólicos, para posteriormente dedicar el capítulo cuarto a la caracterización del potencial energético del viento. El capítulo quinto se dedica a la aerodinámica de los aerogeneradores, el sexto a los aerogeneradores de eje vertical y aerobombas y el séptimo a los aerogeneradores de eje horizontal para producción eléctrica. Los capítulos octavo y noveno se centran en la producción eléctrica, las diferentes tecnologías y los distintos aspectos de su gestión e integración en la red. El capítulo décimo se destina a la exposición de la metodología para la realización de los cálculos energéticos en aerogeneradores y el decimoprimero a los aspectos económicos y medioambientales de la energía eólica. Miguel Villarubia López es profesor de Ingeniería de Energía Eólica en el Máster interuniversitario de Ingeniería en Energía de la Universidad de Barcelona y la Universidad Politécnica de Cataluña. Es autor de diversas publicaciones en el campo de la energía eólica y ha participado en proyectos y estudios de viabilidad técnica y económica de implantación de parques eólicos para la producción de electricidad.

Leseprobe

Ingeniería de la Energía Eólica

Ingeniería de la Energía Eólica

Miguel Villarrubia López

Facultad de Física - Universidad de Barcelona

Colección Nuevas energías, 5

Ingeniería de la Energía Eólica

Primera edición, 2012

© 2012 Miguel Villarubia López

© 2012 MARCOMBO, S.A.    Gran Via de les Corts Catalanes, 594    08007 Barcelona    www.marcombo.com

Diseño de la cubierta y maquetación: NDENU ESTUDI DISSENY GRÀFIC

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ISBN: 978-84-267-1856-3

D.L.:Impreso enPrinted in Spain

A mi hijo Javier

ÍNDICE

CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES

1.1. Introducción

1.2. Tipos de aerogeneradores eólicos

1.3. Sistemas de producción eoloeléctrica

1.4. Estado de la implantación de la energía eólica

1.5. La evolución de la energía eólica en el pasado y situación actual

CAPÍTULO 2. FÍSICA DE LA ATMÓSFERA: EL VIENTO

2.1. La atmósfera

2.2. Gradiente térmico vertical. Capas atmosféricas

2.3. La atmósfera estándar

2.4. Estabilidad de la atmósfera

2.5. Circulación atmosférica general

2.6. El viento

2.7. Variación del perfil vertical de velocidades del viento

2.8. Vientos originados por fenómenos particulares: vientos locales

2.9. Escala Beaufort

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN Y TRATAMIENTO DE LOS DATOS EÓLICOS

3.1. Introducción

3.2. Velocidad del viento

3.3. Tratamiento estadístico del viento

3.4. Variaciones de la velocidad del viento

3.5. Medición de las magnitudes del viento

3.5.1. Medición de la velocidad del viento: el anemómetro

3.5.2. Medición de la dirección del viento: la veleta

3.5.3. Colocación de los instrumentos de medida

3.6. Clasificación de aerogeneradores según el tipo de viento

3.7. Formas de presentación de los datos de viento: velocidad y dirección

3.8. Aplicación de la estadística a cálculos eólicos

3.9. Tratamiento estadístico de los datos del viento

3.10. Distribuciones discretas y continuas de probabilidad

CAPÍTULO 4. CARACTERIZACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DEL VIENTO

4.1. Descripción estadística del viento: ley de Weibull

4.2. Ley de Rayleigh

4.3. Cálculo de los parámetros de Weibull

4.4. Variación de las características del viento con la altura

4.4.1. Rugosidad del terreno

4.4.2. Variación de la velocidad del viento estacionario con la altura

4.4.3. Variación de la velocidad media a largo plazo con la altura

4.4.4. Variación de los parámetros de Weibull con la altura

4.5. Influencia del relieve del terreno

4.6. Influencia de obstáculos

4.7. Estelas de los aerogeneradores

4.8. Potencia eólica disponible. Potencial eólico

4.8.1. Variación del potencial eólico con la altura respecto al suelo

4.9. Densidad de energía eólica disponible

4.10. Evaluación de recursos energéticos eólicos

4.11. Criterios generales para la selección de emplazamientos

CAPÍTULO 5. AERODINÁMICA DE LOS AEROGENERADORES

5.1. Introducción

5.2. Captación de la energía cinética del viento

5.3. Principios físicos de la aerodinámica del álabe

5.3.1. Capa límite

5.3.2. Separación o despegue de la capa límite. Formación de estelas

5.4. Fuerzas de sustentación y de arrastre

5.5. Perfil aerodinámico del álabe de un aerogenerador

5.6. Acción del viento sobre un perfil aerodinámico

5.7. Acción del flujo de aire sobre el rotor del aerogenerador

5.8. Potencia eólica extraída. Coeficientes de potencia y de par

5.9. Potencia eólica extraída máxima teórica. Límite de Betz

5.10. Flujo de potencias en un aerogenerador

CAPÍTULO 6. AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL Y AEROBOMBAS

6.1. Tipos de aerogeneradores

6.2. Aerogeneradores de eje horizontal

6.3. Aerogeneradores de eje vertical

6.3.1. Eólica de rotor de arrastre diferencial: rotor Savonius

6.3.2. Eólica de rotor de variación cíclica de incidencia: rotor Darrieus

6.4. Comparación entre aerogeneradores de eje horizontal y de eje vertical

6.5. Aerogenerador multipala de eje horizontal. Aeromotor de bombeo

CAPÍTULO 7. AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL PARA PRODUCCIÓN ELÉCTRICA

7.1. Introducción

7.2. Aerogeneradores de eje horizontal

7.2.1. Rotor

7.2.2. Góndola o chasis

7.2.3. Caja variadora de velocidad (gear box)

7.3. Generación eléctrica en un aerogenerador

7.4. Etapas de generación eléctrica en un aerogenerador

7.5. Consideraciones sobre los aerogeneradores de eje horizontal (HAWT)

7.6. Regulación y control de potencia y de velocidad

7.7. Configuraciones de aerogeneradores

7.8. Sistemas de orientación del rotor

7.9. Otros equipos y sistemas

7.10. Torres de sustentación

CAPÍTULO 8. LA GENERACIÓN ELÉCTRICA EN LOS AEROGENERADORES

8.1. Introducción

8.2. Generadores eléctricos en aerogeneradores

8.3. Interconexión del aerogenerador con la red

8.4. Conexión y desconexión con la red

8.5. Problemas en la interconexión del aerogenerador con la red eléctrica

8.6. Comportamiento del aerogenerador frente a huecos de tensión

8.7. Procedimiento de operación ante huecos de tensión

8.8. Organización del sistema eléctrico

8.9. Integración de la energía eólica en el sistema eléctrico

CAPÍTULO 9. CONFIGURACIÓN DE SISTEMAS EÓLICOS. PARQUES EÓLICOS

9.1. Configuraciones de un sistema eólico

9.2. Parques eólicos

9.2.1. Instalaciones eléctricas de baja tensión en cada aerogenerador

9.2.2. Centro de transformación de baja (BT) a media tensión (MT)

9.2.3. Red de media tensión (MT)

9.2.4. Subestación transformadora MT/AT y enlace con la red de AT

9.3. Disposición de los aerogeneradores en un parque eólico

9.4. Parques eólicos marinos (offshore)

9.5. Selección de emplazamientos para parques eólicos

CAPÍTULO 10. CÁLCULOS ENERGÉTICOS EN AEROGENERADORES

10.1. Consideraciones sobre la potencia de un aerogenerador

10.2. Curva de potencia – velocidad de un aerogenerador

10.3. Relación entre la potencia nominal y el diámetro del rotor

10.4. Cálculo del coeficiente de potencia a partir de la curva de potencia del aerogenerador

10.5. Coeficientes de par (Cm) y de potencia (Cp) en los HAWT rápidos

10.6. Cálculo de la energía producida por un aerogenerador

10.7. Coeficiente de potencia y rendimiento anual medios

10.8. Correcciones de la energía

10.9. Parámetros de funcionamiento de un aerogenerador

10.10. Cálculo del diámetro del aerogenerador

CAPÍTULO 11. ASPECTOS ECONÓMICOS Y MEDIOAMBIENTALES

11.1. Introducción

11.2. Análisis de viabilidad técnica y económica de un proyecto eólico

11.3. Costes de un parque eólico

11.3.1. Costes de inversión

11.3.2. Costes variables

11.4. Vida útil de los aerogeneradores

11.5. Repotenciación o repowering

11.6. Coste unitario de producción

11.7. Consideraciones sobre los cálculos económicos

11.8. Cálculo del coste unitario de la producción de energía

11.9. Análisis de rentabilidad. Parámetros

11.10. Análisis económico de sistemas eólicos autónomos

11.11. Aspectos medioambientales

REFERENCIAS

ANEXO 1. UNIDADES Y FACTORES DE CONVERSIÓN

ANEXO 2. FUNCIÓN GAMMA Г (x)

PRÓLOGO

La energía es un factor indispensable para el desarrollo y el progreso de una sociedad. En cualquier escenario que se considere, el aumento del producto interior bruto siempre ha ido ligado a un aumento del consumo de energía. Actualmente son varios los retos en este campo a los que nos enfrentamos.

En primer lugar, se debe garantizar la seguridad del abastecimiento, el aumento del nivel de autoproducción para lograr mayor independencia energética y un incremento de la diversificación de fuentes energéticas, para conseguir una menor dependencia de los combustibles fósiles y en particular del petróleo.

En segundo lugar, es necesaria la utilización de tecnologías que permitan, a través del ahorro y eficiencia energética y del uso de energías no emisoras de gases de efecto invernadero, la reducción de sus emisiones para el cumplimiento de los compromisos adquiridos en este campo.

No hay que olvidar que estos objetivos deben alcanzarse mediante cambios tecnológicos que no impliquen unos costes económicos de la energía que puedan poner en riesgo la viabilidad de este tipo de tecnologías energéticas. En consecuencia, las nuevas tecnologías energéticas tienen que guiarse por los principios de la economía de costes y de la competitividad técnica y económica respecto a las energías convencionales, además de los puramente energéticos y medioambientales.

En este escenario, la Unión Europea ha propuesto como objetivo para 2020, la reducción de un 20% de las emisiones de CO2, cubrir el 20% de la demanda de energía con energías renovables y el aumento del 20% del ahorro y mejora de eficiencia energética. Estas condiciones implican que aproximadamente un tercio de la electricidad deba obtenerse por vía de las renovables, es decir, que sea una electricidad “verde”.

Para conseguir este objetivo, será necesario disponer de un “mix” energético de producción eléctrica, en el que es previsible pensar que la participación de las distintas fuentes sea aproximadamente un tercio de combustibles fósiles (carbón y gas natural), un tercio de nuclear y un tercio de renovables (electricidad “verde”).

En el caso de la electricidad “verde”, las dos fuentes de energía primaria más importantes son la hidráulica y la eólica. La primera, conocida y utilizada desde hace más de un siglo, y la segunda, mucho más moderna, aunque ya ha alcanzado un nivel de madurez tecnológico y económico que la hace viable técnica y económicamente, con unos costes de producción atractivos en el mercado energético. El nivel de participación de otras renovables en la generación de electricidad “verde” a gran escala es muy probable que tenga un papel minoritario a corto y medio plazo.

La energía eólica en la última década ha realizado importantes progresos tanto en el aspecto técnico como económico. Se han mejorado significativamente aspectos tales como: la gestión y mantenimiento de parques eólicos, la integración de la energía eléctrica en la red, la versatilidad y adaptación del diseño de aerogeneradores a las características específicas de los emplazamientos, la regulación y control de los mismos, la predicción de producción a corto plazo y la economía de escala con aerogeneradores de mayor potencia con una mejora en los costes unitarios de inversión y de producción eléctrica. Así mismo, se ha iniciado el desarrollo de la energía eólica marina (offshore) con la implantación de parques que ya han acreditado su viabilidad técnica y económica.

La importancia alcanzada por la energía eólica se pone de manifiesto a través del hecho que en la actualidad está presente en la mayoría de países de economía desarrollada o emergente. A principios de 2009, la capacidad mundial instalada era de unos 120 GW, de los cuales aproximadamente 65 GW correspondían a la Unión Europea y 25 GW a EE.UU. Esta potencia nominal eólica instalada a escala mundial equivale a una tercera parte de la capacidad mundial instalada de energía nuclear.

En este libro se exponen y desarrollan los distintos aspectos que un técnico energético debe conocer y aplicar para la concepción, desarrollo, implantación y gestión de un sistema de aprovechamiento de energía eólica, fundamentalmente para su conversión en electricidad.

Después de un primer capítulo donde se exponen los aspectos generales de la energía eólica, en los capítulos segundo y tercero se describen, respectivamente, la física del viento, y la medición y el tratamiento de los datos eólicos, para posteriormente dedicar el capítulo cuarto a la caracterización del potencial energético del viento.

El capítulo quinto está dedicado a la aerodinámica de los aerogeneradores, el sexto a los aerogeneradores de eje vertical y aerobombas, y el séptimo a los aerogeneradores de eje horizontal para producción eléctrica.

Los capítulos octavo y noveno se centran fundamentalmente en la producción eléctrica, las diferentes tecnologías y los distintos aspectos de su gestión e integración en la red. El primero de ellos se dedica a la generación eléctrica en aerogeneradores y el segundo, a la configuración de sistemas eólicos y en especial a parques eólicos.

El capítulo décimo se destina a la exposición y desarrollo de la metodología para la realización de los cálculos energéticos en aerogeneradores y el decimoprimero a los cálculos económicos y aspectos medioambientales de la energía eólica.

Finalmente, expresamos nuestro deseo que este texto constituya una ayuda para todas aquellas personas, estudiantes o profesionales del sector de la energía, que deseen introducirse en el campo de las aplicaciones de la energía eólica, en especial en el de la producción eléctrica.

Barcelona, diciembre de 2010