No - Date-manualEolico- Zaragoza España- Datos para Tesis

7/27/2019 No - Date-manualEolico- Zaragoza Espaa- Datos para Tesis

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Master Europeo en

Energas Renovables

yEficiencia Energtica

CURSO DE ENERGA ELICA

Departamento de Ingeniera Elctrica de la Universidad de Zaragoza

Joaqun Mur Amada

EI


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NDICE

1.-CARACTERIZACIN DEL RECURSO ELICO ..........................................................................................3 1.1- Introduccin ........................................................... ................................................................... .. 31.2.- El viento......................................................................................................................................4

1.2.1.- Origen del viento ................... ...................... ...................... ...................... .................... ..................... ...41.2.2.- El gradiente horizontal de presin .................... ...................... ...................... ...................... .................41.2.3.- Estabilidad atmosfrica........................................................................................................................51.2.4.- Rugosidad del terreno..........................................................................................................................61.2.5.- Variacin vertical del viento... ...................... ...................... ...................... ..................... .....................61.2.6.- Circulacin general..............................................................................................................................71.2.7.- Efectos locales.....................................................................................................................................8

1.3.- Potencia elica disponible ..................................................................... .................................... 81.4.- Potencia elica aprovechable ............................................................. ....................................... 9

1.4.1.- Teora de la Cantidad de Movimiento. El lmite de Betz....... ....................... ....................... .............101.5- Variaciones del viento...............................................................................................................14

1.5.1- Variaciones temporales del viento......................................................................................................141.5.2.- Variaciones espaciales del viento ..................... ...................... ...................... ...................... ...............16

2.-OBTENCIN Y TRATAMIENTO DE DATOS DE VIENTO ..........................................................................21 2.1.- Parmetros representativos del potencial elico ............................................................... ...... 212.2.- Toma de medidas......................................................................................................................22

2.2.1.- Instrumentacin .................... ...................... ...................... ...................... ..................... ......................22a) Anemmetros .................... ...................... ...................... ...................... ...................... ...................... ...22b) Medida de la direccin del viento.......................................................................................................23c) Medida de la temperatura...................................................................................................................24d) Medida de la presin atmosfrica.......................................................................................................242.2.2.- Frecuencia y duracin de las medidas................................................................................................242.2.3.- Ubicacin de los sensores..................................................................................................................242.2.4.- Eleccin de los instrumentos de medida............................................................................................25

2.3.- Tratamiento de los datos elicos..............................................................................................252.3.1.- Distribucin de direcciones .................... ...................... ....................... ...................... .................... ....252.3.2.- Distribuciones de velocidades ...................... ....................... ...................... ....................... .................26

2.4.- Evaluacin de la energa producida ............................................................ ............................ 292.4.1.- Mtodo esttico ..................... ..................... ...................... ..................... ...................... ......................292.4.2.- Mtodo semiesttico..........................................................................................................................292.4.3.- Modelo cuasidinmico.......................................................................................................................30

3.-SELECCIN DE EMPLAZAMIENTOS .....................................................................................................32 3.1.- Factores influyentes en el funcionamiento de un sistema elico.............................................. 323.2.- Criterios bsicos de seleccin de emplazamientos...................................... ............................. 333.3.- Aspectos particulares en la seleccin de emplazamientos ....................................................... 333.4.- Otros factores...........................................................................................................................34

4.-ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES........................................................................................................34 4.1.- Impacto sobre la flora y la erosin ............................................................ .............................. 35

4.2.- Efectos sobre la avifauna......................................................................................................................354.3.- Impacto visual ................... ..................... ..................... ...................... ..................... ....................... .......374.4.- Impacto sonoro ................... ..................... ...................... ..................... ...................... ..................... .......39

5.-ASPECTOS ECONMICOS ...................................................................................................................40

5.1.- Los costes de un aerogenerador............................... ............................................................. .. 405.2.- Costes de instalacin de los aerogeneradores ......................................................... ................ 415.3.- Costes de operacin y mantenimiento de aerogeneradores ..................................................... 425.4.- Los costes financieros .............................................................. ................................................ 425.5 .- Comparacin de precios con otras tecnologas ............................................................ .......... 44

6.-ELFUTURO:PARQUESELICOSMARINOS(OFFSHORE)........................................................45 6.1.- Introduccin ..................................................... ............................................................. ........... 456.2.- Ventajas de los emplazamientos marinos.......................................... ....................................... 46

6.2.1.- Ausencia de emplazamientos terrestres ....................... ...................... ....................... ..................... ....466.2.2.- Mayores velocidades de viento..........................................................................................................466.2.3.- Mayor estabilidad de viento...............................................................................................................466.2.4.- Mayor abundancia de recurso elico ...................... ....................... ....................... ..................... ........476.2.5.- Menor rugosidad superficial: Aeroturbinas ms baratas....................................................................476.2.6.- Menor turbulencia: Mayor vida de la turbina ..................... ...................... ...................... ...................47

6.3.- Costes de los parques elicos marinos.....................................................................................476.3.1.- Economas de escala..........................................................................................................................48


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6.3.2.- Nuevas tecnologas de cimentacin...................................................................................................486.3.3.- Reutilizacin de las cimentaciones ....................... ...................... ....................... ..................... ...........49

6.4.- Modificaciones en el diseo de las aeroturbinas para parques marinos ................................ 496.5.- Operacin del parque...............................................................................................................506.6.- Impacto medioambiental .................................................... ...................................................... 50

6.6.1.- Vida animal .................... ...................... ..................... ...................... ..................... ...................... .......506.6.2.- La emisin de CO2.............................................................................................................................50

7.-ASPECTOS TCNICOS DEL CONTROL DE AEROGENERADORES ....................................................... ..... 517.1 Estados de funcionamiento y control de un aerogenerador ....................................................... 52

7.1.1 Comprobacin del aerogenerador (estado temporal)............................................................................537.1.2 Paro (estado estacionario) ..................... ...................... ....................... ....................... .................... .......537.1.3 Pausa o espera (estado estacionario) ...................... ....................... ...................... ...................... ...........557.1.4 Reiniciacin starting (estado temporal)............................................................................................557.1.5 Conexin (estado temporal).................................................................................................................557.1.6.a Funcionamiento a carga parcial (estado estacionario).......................................................................587.1.6.b Funcionamiento a plena carga (estado estacionario).........................................................................617.1.7 Cambio a pausa (estado temporal) ...................... ...................... ...................... ...................... ...............647.1.8 Cambio a parada (estado temporal)......................................................................................................647.1.9 Desconexin debida a fallo (temporal) ..................... ....................... ...................... ...................... ........647.1.10 Desconexin de emergencia (temporal).............................................................................................64

7.2 Fallos o faltas en el aerogenerador............................................................................................657.2.1 Cortocircuitos.......................................................................................................................................657.2.2 Sobrevelocidades .................... ...................... ...................... ...................... ..................... ......................657.2.3 Sobretemperaturas................................................................................................................................66

7.3 Monitorizacin y sistemas de seguridad.....................................................................................667.3.1 Anemmetros.......................................................................................................................................677.3.2 Sensores de vibracin .................... ....................... ...................... ....................... ................... ...............677.3.3 Vigilancia de la red elctrica y proteccin contra rayos.......................................................................687.3.4 Telemando y vigilancia........................................................................................................................687.3.5 Prediccin de fallos..............................................................................................................................70

Anexo: Unidades y factores de conversin................................................................... .................... 71Abreviaturas de las unidades.........................................................................................................................71Velocidades del viento..................................................................................................................................71Escala de velocidades de viento....................................................................................................................71Tabla de clases y de longitudes de rugosidad ................... ...................... ...................... .................... ............72Densidad del aire a presin atmosfrica estndar ...................... ...................... ....................... ......................72Potencia del viento **) .................... ...................... ...................... ...................... ..................... ......................73Energa..........................................................................................................................................................73 Unidades de energa......................................................................................................................................74Potencia ................... ..................... ...................... ..................... ...................... ...................... ...................... ...74Unidades de potencia....................................................................................................................................75

Anexo: Preguntas frecuentes sobre energa elica........................................................................... 76Problema: Estudio de viabilidad de un parque elico ...................................................... ............... 83

Descripcin de los datos y clculos ...................... ....................... ....................... ...................... ....................83Apartado econmico.....................................................................................................................................88

ANEXO:VISITA A LOS PARQUES ELICOS DE BORJA Y REMOLINOS. ....................................................... ..... 89PARQUE ELICO DE BORJA.............................................................. .......................................... 89CONEXIN A RED DEL PARQUE ELICO DE REMOLINOS.....................................................97Anexo: Bibliografa sobre energa elica.......... ..................................................................... .......... 98

Anexo: Bibliografa sobre energa elica.......... ..................................................................... .......... 99Cursos multimedia........................................................................................................................................99Normas ..................... ...................... ...................... ...................... ...................... ................... .......................107


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1.- Caracterizacin del recurso elico

1.1- Introduccin

La cantidad de energa contenida o proporcionada por las masas de aire enmovimiento en su circulacin por las capas bajas de la atmsfera, representa un nivel de

potencial energtico relativamente elevado, especialmente en determinadas condicioneslocales y temporales, de tal modo que se justifica el esfuerzo por llevar a cabo sutransformacin en energa til y su aprovechamiento en condiciones favorables deeficiencia y rentabilidad, dado el grado de desarrollo alcanzado por las tecnologas deconversin elica.

El viento resulta de la expansin y conveccin del aire provocadas por lasdiferentes absorciones de la energa solar de la Tierra. A escala global, estos efectostrmicos se combinan con efectos dinmicos debidos a la rotacin terrestre dando lugara la circulacin general atmosfrica. Adems de esta situacin a gran escala, se danimportantes variaciones locales y temporales causadas por factores geogrficos yclimatolgicos.

As pues, el viento, al considerarlo como recurso energtico y desde el punto devista de su disponibilidad como suministro, tiene sus caractersticas especficas: es unafuente con sustanciales variaciones temporales, a pequea y gran escala de tiempo, yespaciales, tanto en superficie como en altura, contando adems con una componente

aleatoria que afecta en gran parte a su variacin total. Al mismo tiempo, hay queconsiderar que la energa elica disponible por unidad de rea expuesta al viento es

proporcional al cubo de la velocidad, por lo que pequeas variaciones en la velocidaddel viento conllevan sensibles variaciones en la energa suministrada.

Las caractersticas del viento influyen de forma importante en varias reas detrabajo relacionadas con los sistemas de aprovechamiento de la energa elica:

- en la seleccin del emplazamiento ms favorable para la instalacin de lossistemas elicos, dadas las acusadas diferencias locales del viento.

- en la estimacin o previsin de la produccin energtica y delfuncionamiento global del sistema elico, donde se consideran valoresmedios de viento y distribuciones diarias, estacionales, direccionales, etc., enlugares especficos o de inters.

- en el diseo del sistema, donde se tienen en cuenta las condiciones mediasrepresentativas y condiciones extremas de viento.

- en la operacin y regulacin del sistema elico, donde intervienen aspectoscomo la prediccin del viento para planificar el funcionamiento en tiemporeal, as como caractersticas del viento que influyen en la estrategia deoperacin (arranque, parada, orientacin, etc.) y factores que afectan almantenimiento o vida til del sistema (rfagas, turbulencias, etc.).

Estas propiedades hacen que la evaluacin y caracterizacin del viento comofuente de energa sea un rea de trabajo de especial importancia en el aprovechamiento


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de la energa elica, de tal modo que el conocer el rgimen de vientos al que va a estarsometido el sistema elico, es necesario tanto para optimizar las aplicacionesenergticas como para predecir las condiciones de operacin y funcionamiento.

1.2.- El viento1.2.1.- Origen del viento

El viento se produce por el movimiento de las masas de aire en la troposfera, lacapa ms baja de la atmsfera. Dentro de ella, los vientos que tendrn inters desde el

punto de vista energtico son los que se producen a nivel de la superficie terrestre.

Los movimientos de masas de aire hay que buscarlos en los gradientes depresin existentes, que en ltimo trmino son debidos a los gradientes trmicosoriginados por la radiacin solar recibida sobre la tierra. Es decir, las capas de airecaliente ascienden dejando hueco libre para las capas de aire fro, generando as elmovimiento de las capas de aire.

Por otro lado, hay que hablar del gradiente vertical de presin, que originarmovimientos verticales de masas de aire, aunque de menor magnitud que loshorizontales.

1.2.2.- El gradiente hor izontal de presin

El gradiente horizontal de presiones viene representado en los mapasmeteorolgicos mediante las isobaras, que son lneas que unen los puntos de igualpresin. Otra forma usual de representar las presiones son los mapas de isohipsas. Enellos se representa la altura a la cual se tiene una determinada presin.

Los movimientos de masas de aire tienden a compensar las diferencias depresin, de modo que, a mayor gradiente de presin, mayor velocidad de viento.

La fuerza de presin por unidad de masa perpendicular a las isobaras es-1/p/n, siendo p/n el gradiente horizontal de presin. Por tanto, cuanto ms

juntas estn las isobaras, mayor ser el gradiente de presin.

En principio, el movimiento de las masas de aire se realiza de las altas a las bajaspresiones, perpendicularmente a las isobaras. Sin embargo, en la atmsfera libre elviento sopla paralelo a las isobaras, dejando las zonas de altas presiones a la derecha ylas bajas a la izquierda en el hemisferio norte. Esto es debido a la presencia de la fuerzade Coriolis, f=-2sen v, donde es la velocidad angular de la tierra, es la latitud,y v la velocidad del viento.

En las zonas libres de la atmsfera, la fuerza del gradiente de presin quedarequilibrada con la de Coriolis.

-1/p/n=-2sen v


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Al viento ideal que cumple esta igualdad se le llama viento geostrfico, y suvelocidad, velocidad geostrfica.

Vg=(g/2)(1/sen)z/n=1/(2sen)p/n

Donde z/n representa la pendiente de las superficies isobricas de los mapas deisohipsas. Estas ecuaciones no son aplicables a zonas prximas al ecuador, donde lalatitud es prxima a cero.

El rozamiento con la superficie es otro factor que influye sobre la distribucin develocidades. El rozamiento hace disminuir la velocidad del viento, y por tanto, la fuerzade Coriolis tambin disminuye, alcanzndose un nuevo equilibrio. De esta forma, elviento cortar oblicuamente a las isobaras desde las altas a las bajas presiones, dejandolas altas a la derecha y las bajas a la izquierda en el hemisferio norte.

Verticalmente este efecto se ve minimizado, con lo que la velocidad aumentar y

tambin la fuerza de Coriolis, alcanzndose la velocidad geostrfica. Asimismo, elngulo con el que el viento cortar a las isobaras variar con la altura. La curva devariacin vertical del viento se llama espiral de Eckman

Fig. 6. Espiral de Eckman

1.2.3.- Estabil idad atmosfrica

A medida que se asciende en altitud, la temperatura desciende. Por una parte, laatmsfera emite ms radiacin que la que absorbe, y por otra, las capas bajas de laatmsfera se calientan como consecuencia de la radiacin emitida por el suelo. Elgradiente vertical de temperatura es de 0.98C/100 m, para aire seco y de 0.65C/100 m

para la atmsfera estndar. Cuando una masa de aire a altura z1, con P1,T1, 1asciendehasta una altura z2, puede ocurrir:

1) El aire a altura z2tiene la misma temperatura que el aire que se ha elevado deforma adiabtica. T2=T2, por tanto, 2=2. El aire no tender ni a subir ni a

bajar. Es una atmsfera neutra.


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2) El aire a altura z2 tiene una temperatura mayor que la del aire que haascendido adiabticamente. Por tanto, 22. La atmsfera ser inestable.

La masa de aire seguir ascendiendo, y el aire ms denso tender a descendery a ocupar el hueco dejado por la masa que ha ascendido. Se producirnmovimientos verticales que tendern a mezclar la atmsfera, dando lugar aun movimiento ms rpido del aire.

Durante la noche, la atmsfera se encuentra estable, y no hay transferencia decantidad de movimiento de las capas superiores a las inferiores. Durante el da, debidoal calentamiento de las masas de aire, la atmsfera se inestabiliza, con lo que el vientoen superficie aumentar.

1.2.4.- Rugosidad del terreno

La rugosidad de una superficie se determina por el tamao y distribucin de loselementos de rugosidad que contiene. Se evala mediante el parmetro denominadolongitud de rugosidad z0, que nos da la altura a la cual la velocidad media es cerocuando el viento tiene una variacin logartmica con la altura:

Z0=0.5Sh/Ah(Lettau, 1969)

Con h, S: altura y seccin cara al viento de los elementos de rugosidad.

Ah: rea horizontal media correspondiente a cada obstculo.La expresin anterior da valores razonables cuando AH>>S, pero sobreestima z0

cuando son del mismo orden, por ejemplo, en ciudades y bosques, donde los elementosde rugosidad estn muy juntos, en cuyo caso, habra de considerarse un desplazamientoequivalente a una elevacin del terreno, d.

1.2.5.- Variacin vertical del viento

La variacin vertical del viento est estrechamente relacionada con losgradientes verticales de temperatura, es decir, con la estabilidad atmosfrica. Se handeterminado expresiones empricas, como la ley potencial, v/v0=(h/h0)

, donde es unparmetro que depende del tipo de superficie.

1.- Atmsfera neutra y homognea y en terreno horizontal, vlida en alturas inferiores a100 m

v = v*/kln(z/z0)v*representa la velocidad de friccin, k es una constante, y z0es la longitud derugosidad superficial.

2.- Atmsfera no neutra


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v= v*/kln(z/z0- (z/L))es una funcin correctora por la estabilidad atmosfrica. Su valor es 4.7z/L

para atmsfera estable (L0) y (1-16z/L)1/4-1 para atmsfera estable (L


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- Desde las altas presiones tropicales hasta los polos dominan los vientos del oeste,mucho menos constantes que los alisios, tanto en direccin como en intensidad.Adems, se ven afectados por la irregular forma de los continentes.

- En las regiones polares los vientos tienen direccin noroeste.

Todas estas zonas se desplazan sobre los ocanos segn las estaciones. LaPennsula Ibrica podramos englobarla dentro de la zona de vientos del oeste. Sonvientos muy influidos por el desplazamiento estacional de la zona de altas presionessubtropicales.

1.2.7.- Efectos locales

Aparte de las condiciones generales, existen efectos locales responsables devientos de cierta importancia, tanto ms, cuanto menor importancia tienen los vientosgenerales. Incluso existen ciertas regiones del mundo donde los vientos locales

encubren totalmente a los generales.

Los efectos locales pueden tener dos orgenes:

Origen trmico:- Brisas, debidas al diferente calentamiento de la tierra y el mar. El viento sopla hacia

tierra durante el da, siendo el sentido contrario durante la noche.- Viento de ladera y valle. Al amanecer, se calientan las laderas del valle y

comienzan sobre ellas los flujos de aire ascendentes. A medioda las corrientesascendentes ya son fuertes y el aire comienza a subir valle arriba. Tras la puesta desol se producen vientos de ladera descendentes, y finalmente, vientos descendentes alo largo del valle.

Los vientos de origen trmico no tienen suficiente contenido energtico, por lo queno son susceptibles de ser aprovechados, salvo en aquellos emplazamientos de ciertaregularidad de viento.

Origen geogrficoLas colinas, acantilados y pequeos valles pueden dar lugar a la formacin de

vientos con suficiente contenido energtico susceptibles de ser aprovechadosenergticamente. Es el caso de las canalizaciones como las que se producen en el Valle

del Ebro, o en el Estrecho de Gibraltar, que dan lugar generalmente, a vientos fuertes.

1.3.- Potencia elica disponible

Una masa de aire en movimiento a una velocidad v tiene una energa cinticaE=1/2mv2.

La energa cintica por unidad de volumen ser e=1/2v2, siendo ladensidad del aire, que a efectos prcticos puede suponerse prcticamente constante.

El flujo de aire a travs de una superficie es =vA.


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La energa que fluye por unidad de tiempo, o potencia elica disponible en unaseccin de rea A perpendicular a la corriente de aire con velocidad v ser el flujo deenerga cintica, es decir, Pd=1/2v

2vA=1/2Av3.

Por tanto, la potencia disponible en las masas de aire en movimiento es

directamente proporcional a la densidad, al rea perpendicular enfrentada al rotor y alcubo de la velocidad. En unidades del S.I, dicha potencia vendr expresada en W.

Representando grficamente la potencia disponible en funcin del dimetro de lamquina, con la densidad =1.225 kg/m3, tendremos:

Pd - v (D)

1,E+00

1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

1,E+07

1,E+08

1 10 100

v (m/s)

Pd(W)

100 m

50 m

20 m

10 m

5 m

2 m

D (rotor)

De la grfica se observa que a medida que aumenta el dimetro del rotorenfrentado al aire, y a medida que aumenta la velocidad, la potencia disponible en elviento aumenta.

1.4.- Potencia elica aprovechable

En el apartado anterior se ha visto cual es la energa contenida en una masa deaire en movimiento. Ahora bien, el cumplimiento de la ecuacin de conservacin de lamasa hace que no toda esa potencia disponible en el aire pueda aprovecharse.

Adems de las caractersticas del viento, la potencia aprovechable depende tambin delas caractersticas de funcionamiento de la mquina. Habr que considerar, adems, lasprdidas mecnicas en la transmisin y la eficiencia elctrica del generador. Estosfactores se tendrn en cuenta a parte.

Se define el coeficiente de potencia de un aerogenerador como la fraccin depotencia contenida en el viento incidente que es realmente capturada por elaerogenerador. Es una medida de la eficiencia de la mquina.

Pd=1/2Av3Cp, donde: Pd: potencia disponible

: densidad del viento

A: rea expuesta al viento incidenteV: velocidad del viento incidente.


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El valor del coeficiente de potencia nunca puede alcanzar el 100% respecto a lapotencia incidente. El valor mximo fue determinado por Betz, en el ao 1927 a partirde la aplicacin de la ecuacin de cantidad de movimiento.

Un procedimiento ms fiable para evaluar el potencial elico aprovechable es apartir de la curva caracterstica del coeficiente de potencia de una mquina determinadaCp(v) y de la distribucin de probabilidades de velocidad de viento en un lugar, p(v).

El factor de capacidad, Cf es la relacin entre la potencia elica mediaaprovechable por la mquina, y la potencia nominal durante el periodo considerado.

La energa elica extrable tambin se puede expresar mediante el concepto dehoras equivalentes de produccin, como el cociente entre la energa total suministrada yla potencia nominal instalada.

1.4.1.- Teora de la Cantidad de Movimiento. El lmite de Betz

La teora de Cantidad de Movimiento supuso una primera aproximacin sencillaal problema de un rotor inmerso en una corriente de aire, pero a la vez, un gran pasoadelante, ya que permiti obtener resultados globales muy generales, a partir de pocos

parmetros y que proporcionan una informacin muy til para comprender el fenmenoque estamos tratando.

Como toda teora que se precie, parte de una serie de hiptesis simplificativas,en este caso, las Hiptesis de Rankine y Froude, que son:

- El aire es considerado como un fluido ideal sin viscosidad en todo el campofluido excepto en las proximidades del rotor.

- El fluido es considerado incompresible. El viento se mover a rgimensubsnico, por tanto, la densidad podemos tomarla como constante. El

problema trmico, adems, estar desacoplado del problema fluidodinmico.- El estudio se realizar en rgimen estacionario. Las variables dependern del

punto de trabajo que se tome y no del tiempo.- No se considera la velocidad de giro del rotor ni la de su estela.- Se considera al rotor como un disco poroso fijo, compuesto por infinitas

palas de espesor despreciable.- Las magnitudes empleadas para representar las variables fluidas en una

seccin recta determinada del tubo de corriente considerado son magnitudesequivalentes de su perfil de distribucin a lo ancho de dicha seccinconsiderada.

Potencia del viento


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Veamos cual es la potencia generada por una corriente uniforme de viento queatraviesa un rea A, a velocidad v.

Fig. 8. Potencia generada por una corriente de viento.

La seccin A se encuentra fija. Sea la seccin A de igual rea que la seccin A,que se mueve a velocidad v1hasta coincidir con la seccin A. Eso ocurrir pasado uninstante T desde la posicin inicial en que se encontraba. La longitud L recorrida serL=v1T. La masa de aire contenida en el cilindro ser M=v1TA, y la energacintica asociada a la misma,

Ec=1/2Mv12=1/2v1TAv1

2,

Y la potencia, Pd=1/2 Av13El fenmeno fsico que se produce en esta situacin es el siguiente. Sea A el

rea del rotor colocada perpendicularmente al flujo de viento. El aire se desplazar por

el interior del tubo de corriente y ceder parte de la energa.

El flujo es subsnico, por lo que la presencia del rotor perturbar el flujo aguasarriba, lo que hace que la seccin A1, situada aguas arriba, tenga un rea inferior al readel rotor, y a su vez, inferior al rea A2situada aguas abajo del rtor. Adems, al ser ladensidad constante y el flujo estacionario (conservacin del gasto msico), seconservar el caudal, y por tanto, la relacin de velocidades conforme se avanza a lolargo del tubo de corriente ser v1>v>v2.

Fig. 9. Distribucin de velocidades.

Analizando la presin, se observa la siguiente grfica:

=

A A

A

vv v


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Fig. 10. Distribucin de presiones.

La presin evoluciona desde el valor de la presin ambiente P1hasta un valorsuperior en la cara anterior del rotor. En este, se produce una cada de presin y a partirde l, la presin vuelve a aumentar hasta alcanzar de nuevo la presin ambiente, P2.

Ecuaciones

Las ecuaciones que vamos a aplicar son las siguientes:1) Ecuacin de continuidad

A1v1= A2v2 (1)

2) Gasto msico

G=Av (2)

3) Fuerza sobre el rotor

F= Gv=Av(v1-v2) (3)F=A(P+-P-) (4)

4) Ecuacin de Bernouilli

1.- Entre A1y la seccin anterior del discoP1+1/2v1

2= P++1/2v2 (5)

2.- Entre la seccin posterior del tubo y A2P-+1/2v2= P2+1/2v2

2 (6)

5) Presiones

P2=P1 (7)

Restando (5)-(6)P+-P-=1/2(v1

2-v22).

La fuerza sobre el rotor ser: F=1/2(v12-v2

2)=v(v1-v2).Despejando v se obtiene v=1/2( v1+v2).


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La potencia absorbida por el rotor ser el producto de la fuerza ejercida por elviento sobre el rotor por la velocidad del fluido en el rotor.

W=Fv= A(v1-v2)1/2(v1+v2)= A1/2(v1+v2)1/2(v12-v2

2), dondeA1/2(v1+v2) es el gasto msico a travs del rotor y 1/2(v1

2-v22) es la prdida de

energa cintica por unidad de masa de viento entre las secciones 1 y 2.

Mxima potencia extrable

La potencia depende del rea del rotor y de las velocidades de viento aguasarriba y aguas abajo del rotor. V1vendr prefijada por la velocidad de viento incidente,ahora bien, qu ocurre con el valor v2?

Sea k=v2/v1. La expresin de la potencia quedar:W=1/4Av1

3(1+k)(1-k2).

Para obtener W mxima derivaremos respecto a k e igualaremos a cero:

W/k=0

Se llega a la ecuacin de segundo grado, 3k2+2k-1=0, que resolviendo, ytomando la solucin positiva, se llega a k=1/3.

Sustituyendo en la expresin de la potencia, Wmax=8/27 Av13Sustituyendo en la expresin del coeficiente de potencia, se llega a una

expresin para Cp: Cp=1/2(1+k)(1-k2

).

Representando grficamente esta expresin en funcin de k, se tiene la siguientegrfica:

Coeficiente de potencia - K

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

K

Cp

Fig. 11. Coeficiente de potencia - k


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Dicha grfica presenta un mximo en las proximidades de 0.6. Si damos valoresnumricos,

Se llega a la frmula de Betz: Cpmax=0.5925.

Por tanto, como mximo, slo puede extraerse el 59.25% de la energa cinticaque contiene una masa de aire en movimiento.

Limitaciones de la teora de Cantidad de Movimiento

La teora de cantidad de movimiento es una teora ingeniosa pero sencilla y, en

consecuencia, tiene las siguientes limitaciones a efectos prcticos:- no considera los efectos viscosos del fluido- las magnitudes son magnitudes equivalentes en cada seccin recta del tubo

de corriente. No permite clculos locales en zonas determinadas del rotor, nitiene en cuenta los cambios de la velocidad incidente con la altura

- no tiene en cuenta el nmero de palas del aerogenerador- no tiene en cuenta el giro del rotor ni calcula pares ni fuerza. En particular,

no calcula el par motor del rotor- no considera fenmenos no estacionarios como rfagas o variacin de la

velocidad del aire con el tiempo, o variacin en la velocidad de giro delrotor, etc.

1.5- Variaciones del vientoEl viento es una fuente de energa cuya caracterstica fundamental es la

irregularidad. No siempre que se desea o que la demanda energtica es alta podemosdisponer de viento de suficiente velocidad como para emplearlo en la generacinelctrica.

Las variaciones de viento hay que caracterizarlas desde dos puntos de vista,variaciones temporales y variaciones espaciales, siendo su conocimiento de vital

importancia a la hora de seleccionar un emplazamiento para un parque elico.

1.5.1- Variaciones temporales del viento

1.5.1.1- Ciclos energticosDel anlisis de los datos de viento tomados, puede observarse que existen ciertas

fluctuaciones en las medidas a lo largo del tiempo, pudindose establecer losdenominados ciclos energticos. Estos ciclos estn asociados a las diferentes escalasdel movimiento atmosfrico, las cuales no estn directamente producidas por laradiacin solar, sino tambin por las energas procedentes de otro tipo de intercambios.Las fluctuaciones temporales del viento pueden ser a corto plazo, debidas al intercambioatmosfrico, o a largo plazo, asociados a fenmenos meteorolgicos a gran escala. Es


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por ello por lo que hay que establecer claramente la escala temporal a la que nosestamos refiriendo.

En la siguiente figura pueden analizarse diferentes ciclos energticos referidos adiferentes escalas de tiempo.

Fig. 12. Ciclos energticos.

1.5.1.2.- Turbulencia atmosfrica

La turbulencia atmosfrica tiene una vital importancia sobre los siguientesaspectos:

cargas dinmicas estructurales sobre aerogeneradores variaciones de la potencia suministradaemplazamientos de plantas elicas, atendiendo a la orografa y a la disposicin

de aerogeneradores.

Las fluctuaciones turbulentas son esencialmente irregulares por lo que lo msadecuado es realizar un tratamiento estadstico de las mismas. Se considera laturbulencia como la incorporacin de todas las fluctuaciones de frecuencias ms altasque la variacin de la velocidad media. Puede considerarse la turbulencia como ladesviacin de la velocidad instantnea U(t) respecto a la velocidad media U:

En la evaluacin de emplazamientos de instalaciones elicas, una medida de laturbulencia del viento es representada mediante la intensidad de turbulencia Iu,

correspondiente a un periodo corto de tiempo, normalmente inferior a 1 h, definidacomo:


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Debido principalmente al rozamiento de la corriente de aire con la superficieterrestre, el perfil vertical del viento no es constante, y aumenta con la altura.

Fig. 13. Perfil vertical de viento.

Cuando las caractersticas del terreno cambian bruscamente, como en el caso demar a tierra, campos de cultivo a bosque, a partir de tal discontinuidad se genera unacapa lmite interna cuya altura crece con la distancia al punto de cambio dependiendodel grado de turbulencia. En rosa se muestra el desarrollo de la capa lmite.

Fig. 14. Desarrollo de la capa lmite.

Cuando el aire fluye sobre un terreno uniforme, las caractersticas del perfil deviento vienen condicionadas por la rugosidad de este terreno, z01. Si la rugosidadcambia bruscamente a un valor z02, la capa lmite interna que se genera responde a esta

rugosidad, pero sobre la misma el perfil de viento an viene condicionado por larugosidad anterior, hasta una distancia de varios kms del cambio y si no se hanpresentado nuevas alteraciones.

Los datos de viento habitualmente se mide a la altura estndar de 10 m, ahorabien, los rotores de los aerogeneradores se sitan a alturas superiores, por lo que espreciso extrapolar los datos.

En este caso se asume el modelo de ley potencial para el perfil vertical develocidades. Si conocemos la velocidad va a la altura za, la velocidad v a la altura zvendr dada por:

V(z)=va(z/za)Donde depende de la rugosidad superficial media y de la estabilidad atmosfricamedia en el lugar considerado.

- En lugares con altas velocidades medias (6 m/s, atmsfera neutra) varaentre 0.1 y 0.3 dependiendo de la rugosidad superficial media.

- Basados en estudios experimentales, el exponente puede ser evaluadomediante la relacin


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- De manera muy general, se utiliza comnmente el valor =1/7, vlido paraatmsferas neutras

- Si nicamente se conoce la distribucin de velocidades a una determinadaaltura Za, sin tener informacin sobre las estabilidades atmosfricas puedeutilizarse el siguiente procedimiento para extrapolar la distribucin de

velocidades a otra altura. Los parmetros de la distribucin c y k se calculande la siguiente forma:

Siendo :

Estos procedimientos empleados en la extrapolacin vertical de vientos sonvlidos nicamente para terrenos llanos y homogneos.

1.5.2.2.- Efectos del terreno y perturbaciones del flujo

Se ha comentado anteriormente que las extrapolaciones verticales de velocidadslo eran vlidas para terreno llano. Se considera un terreno como llano cuando lasdiferencias de elevacin entre el lugar de referencia y el terreno circundante en un radiode 12 kms son inferiores a 60 m y cuando la relacin entre la altura y anchura de laselevaciones en un radio de 4 kms es inferior a 0.02.

Ahora bien, la rugosidad del terreno y la presencia de obstculos se encarga demodificar el perfil vertical del viento.

Influencia de la rugosidad

a) Si un determinado tipo de caracterstica de terreno (rboles, arbustos, edificios, etc,)con una altura media hcse encuentra densamente distribuido por el terreno, y si laaltura mnima del rotor sobre el suelo es z r, este tipo de superficie puede serconsiderada, para hc/zr0.75 como de una rugosidad equivalente igual az0=0.056hc

1.37b) Si un obstculo individual de altura hc se encuentra a menos de 20hc del

emplazamiento y hc/zr0.33, el efecto se considera irrelevante. Asimismo, si seencuentra a ms de 20hc, independiente de la relacin hc/zr

c) Un cambio en la rugosidad superficial del terreno de z0a z0 provoca un cambio delperfil vertical del viento, generndose un capa lmite interna (ver apartado anterior).La altura de esta capa lmite vara con la distancia x a partir del cambio de rugosidadsegn la expresin.

Influencia de los obstculos del terreno


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PENDIENTE PRONUNCIADA

CIMA PLANA

TRIANGULAR: Mxima aceleracin

REDONDEADO

CIMA PLANA Fig. 18. Influencia de los obstculos sobre la velocidad.

Asmismo, las estelas generadas por edificaciones, arbolado, etc. Se caracterizanpor reducir la velocidad y aumentar la turbulencia.

Extrapolacin espacial

Se utilizan diferentes mtodos para correlacionar los datos de un lugarcorrespondientes a un corto periodo de tiempo (mensual, anual) de medida con datosreferentes a periodos largos (varios aos) a partir de un observatorio de referencia.

Los mtodos ms empleados son:

- Mtodo proporcional

- Mtodo aditivo

-Mtodo aditivo modificado

Siendo,Vc: valor medio correspondiente a largo periodo en el lugar consideradoV1: valor medio correspondiente al corto periodo de medidas en dicho lugarV0: valor medio correspondiente al corto periodo en el observatorio de referenciaV: valor medio correspondiente al largo periodo en el observatorio de referencia: desviacin estndar: factor de correlacin.

Para que estos mtodos sean vlidos tiene que existir una elevada correlacinespacial de valores medios entre el lugar de inters y el de referencia.

Los resultados de los estudios realizados demuestran que no pueden establecerse

patrones tpicos entre las variaciones de la correlacin en funcin de la distancia y lasregiones climticas para separaciones de 20 kms o superiores.


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Para lugares separados por distancias inferiores a 200 kms en terreno llano, lacorrelacin puede ser alta. Para lugares en terreno no homogneo separados menos de20 kms y con altas correlaciones (>0.8), los mtodos descritos anteriormente pueden serutilizados.

En reas no uniformes, la interpolacin espacial presenta serias limitaciones yslo puede hacerse rigurosamente aplicando los principios bsicos de la mecnica defluidos y con un amplio conocimiento de anlisis experimentales sobre flujo de vientoen terrenos complejos.

2.- Obtencin y tratamiento de datos de viento

2.1.- Parmetros representativos del potencial elicoA la hora de evaluar un emplazamiento hay que determinar las caractersticas del

viento en el mismo, para lo cual habr que considerar cada uno de los siguientesaspectos.

- Condiciones generales del viento en un emplazamiento (medias diarias,estacionales, anuales)- Datos de 10 minutos a 1 hora de promedio

Condiciones meteorolgicas (temperatura, presin atmosfrica, humedadrelativa, densidad del aire)

Distribucin de frecuencias de direccin.Variacin temporal de la velocidad.Potencial elico disponible.

- Caractersticas del viento para el funcionamiento del sistema.- Datos de 10 minutos a 1 hora de promedio.

Perfil vertical de velocidad horizontal.- Variaciones temporales.- Relaciones con la direccin.

Variacin de la velocidad vertical

-Relaciones entre el viento vertical y la direccin.-Relaciones entre el viento vertical y el horizontal.- Datos de 1 minuto a 10 minutos de promedio.

Factores de rfaga.-Relaciones entre la velocidad, direccin y factor de rfagas.

Caractersticas de la turbulencia-Relaciones entre direccin y turbulencia.-Relaciones entre velocidad y turbulencia.

Desviacin de la velocidad


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La altura estndar de medicin es de 10 metros sobre el suelo, con el fin depoder establecer comparaciones homogneas.

En el caso de evaluacin de una determinada mquina, conviene realizar las

medidas a la altura del buje, con el fin de reducir las posibles incertidumbres.

2.2.4.- Eleccin de los inst rumentos de medida

Los factores fundamentales a tener en cuenta en la eleccin de un instrumentoson los siguientes:

- Coste y fiabilidad- Sensibilidad- Calibracin adecuada, con el fin de garantizar la fiabilidad de los datos

- Robustez, soportar posibles daos- Compatibilidad de las especificaciones de sensibilidad y fiabilidad del sistema

completo.- Accesibilidad del emplazamiento y disponibilidad y calidad de los datos.

2.3.- Tratamiento de los datos elicos

Los datos de viento obtenidos se tratan estadsticamente, con el fin de obtener ladistribucin por rumbos de las direcciones y la distribucin por frecuencias de las

velocidades.

2.3.1.- Distribucin de direcciones

La distribucin de direcciones de viento es de vital importancia a la hora deubicar las turbinas elicas en terrenos no uniformes o formando varios conjuntos deellas, e incluso para conocer la variabilidad direccional del rgimen de vientos al quedebe responder el sistema de orientacin de la mquina.

La representacin ms habitual es la de la rosa de los vientos, en la que se

expresa el porcentaje de tiempo en el que el viento tiene una determinada direccin.Normalmente, tambin se refleja la distribucin de velocidades de viento para cadaintervalo direccional.


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arranque y parada, y de orientacin de la mquina. Como desventaja, es que se basa enla curva de potencia idealizada.

2.4.3.- Modelo cuasidinmico

Utiliza una serie temporal de datos de viento como entrada a un modelonumrico de funcionamiento de la aeroturbina. De este modo pueden obtenerse deforma ms fiable la energa producida, el comportamiento ante la orientacin y losarranques y paradas, as como el estudio de diversas opciones de control de laaeroturbina.

Ejemplo de aplicacin:

Veamos el procedimiento esttico descrito anteriormente para el aerogeneradorMADE AE-46/I, cuya curva de potencia es la que se muestra a continuacin:

Fig. 26. Curva de potencia de un aerogenerador.

El aerogenerador se va a instalar en un emplazamiento cuya curva de duracinde velocidad es la siguiente:

Estimamos que los datos se han tomado durante 1 ao completo, es decir 8760horas.

El proceso seguido ser el indicado en la figura siguiente:


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- Variacin con la altura de la velocidad y de la direccin- Distribucin de direcciones y probabilidades de cambios bruscos de

direccin- Variaciones estacionales y diurnas de la densidad del aire y variaciones con

la altura

- Caractersticas de las series temporales de altos vientos y de periodos decalma- Interacciones entre estelas de mquinas en los parque elicos- Frecuencias de condiciones extremas de viento- Condiciones atmosfricas especiales

3.2.- Criterios bsicos de seleccin de emplazamientos

Los emplazamientos ptimos han de cumplir una serie de caractersticas

- Elevada velocidad media. Las velocidades medias han de ser lo ms altasposibles. El emplazamiento adems, ha de tener buena exposicin al flujo deaire y sin obstculos.

- Variaciones diurnas y estacionales aceptables- Aceptables niveles de vientos extremos y turbulencia. Son estos factores que

afectarn a la integridad estructural y vida til del sistema. Hay que conocerla velocidad mxima alcanzada adems de la probabilidad de que esta se

produzca

Los emplazamientos que suelen cumplir estas caractersticas podemos incluirlosdentro de la siguiente lista:

- Pasos entre montaas en reas de altos gradientes de presin- Largos valles descendiendo de cadenas montaosas- Llanos y llanuras elevados- Llanuras y valles con vientos altos asociados a fuertes vientos de gradientes

de presin- Elevaciones con buena exposicin, cimas de montaas de reas de fuertes

vientos de altura- Lugares costeros bien expuestos en reas de fuertes vientos de altura o

fuertes gradientes trmicos o de presin- Lugares con vegetacin acusadamente deformada por la accin de losvientos dominantes.

3.3.- Aspectos particulares en la seleccin de emplazamientos

En funcin del tipo de aplicacin y tamao de la instalacin debern tenerse encuenta las siguientes consideraciones.

- En el emplazamiento de instalaciones elicas de pequea potencia para usolocal, la seleccin del emplazamiento est restringida a un rea pequea. Eneste caso, slo puede seleccionarse el emplazamiento ms favorable, yestimar con relativa fiabilidad las caractersticas elicas del emplazamiento,


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teniendo en cuenta los efectos de la topografa local y de las caractersticasde la rugosidad superficial del terreno.

- En el emplazamiento de grandes mquinas para produccin elctrica, losmtodos empleados son bastante sofisticados. Adems de un emplazamientocon buenas condiciones elicas, hay que estudiar la viabilidad econmica, la

compatibilidad del diseo con las particularidades meteorolgicas, as comolos efectos medioambientales y de seguridad.- En los grandes parques elicos, la influencia de las estelas de las mquinas

puede disminuir la potencia total comparada con la potencia equivalente delas mquinas individualmente. En general, la mejor disposicin consistiraen ubicar el menor nmero posible de mquinas en la direccin paralela a losvientos predominantes y el mayor nmero posible en la direccin

perpendicular. Para minimizar los efectos de las estelas en un parque, laseparacin lateral mnima recomendada entre mquinas debe estar entre 3 y5 dimetros, y la separacin en la direccin predominante del viento entre 7y 10 dimetros.

En cualquier caso es necesario hacer un balance global de varios factores entrelos que se incluyen la disponibilidad del terreno, los costes de infraestructuras einterconexionado y la prdida de energa que implicaran las diversas

posibilidades.

3.4.- Otros factores

A parte de las caractersticas del viento, existen otros factores de cierta

relevancia sobre la seleccin de un emplazamiento para un parque elico:- Econmicos: tipo de aplicacin, infraestructura, distancia a las lneas de

transmisin, accesos, costes de suministros.- Ambientales: impacto visual, ruido, efectos en el microclima y en la

ecologa.- Institucionales: usos del terreno, seguridad, regulaciones, derechos, etc.- Meteorolgicos: vientos extremos, turbulencia, heladas, salinidad o aerosoles

del ambiente, etc.- Tcnicos: uso de la energa, impacto en la operacin de las plantas de

potencia de la red, fiabilidad, eficiencia, etc.

- Aceptacin pblica.

4.- Aspectos medioambientales

Las posibles afecciones de un proyecto elico en el medio ambiente deben seranalizadas con la realizacin de algn tipo de estudio de impacto ambiental que debe

presentarse en las diferentes consejeras con competencias en medio ambiente de lasdiferentes comunidades autnomas. Prcticamente todas las Comunidades Autnomashan elaborado legislacin medioambiental propia de acuerdo con la legislacin nacional

existente. Aunque esta legislacin medioambiental de las Comunidades Autnomas noes especfica para las instalaciones elicas sino de aplicacin general para cualquier


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- La capacidad del observador para registrar las impresiones visuales- El paisaje: topografa, edificios, vegetacin y clima- Las caractersticas del propio parque: tamao, altura, material, color.

Fig. 29. Impacto visual.

Para definir los lmites de los variados efectos visuales, pueden considerarsecuatro factores: envergadura de las palas, intrusin visual, dominancia visual yvisibilidad.

ZONA I: el lmite est determinado por el radio de la turbinaZONA II: el lmite determina una zona en la cual el aerogenerador es

percibido como intruso visual. El lmite es tres veces la altura, que secorresponde con la distancia, donde un observador aumenta el control de su ojosobre el objeto alto.ZONA III: zona donde la turbina domina un sector del campo de visin. Ladistancia lmite fue estimada en 10 veces la altura.ZONA IV: zona donde la turbina puede ser vista pero es percibida como

perteneciente al espacio lejano. El lmite puede ser calculado teniendo en cuentala altura, la curvatura de la tierra y el efecto de refraccin. En un paisaje llano yabierto, la longitud terica de visibilidad es de 40 kms por cada 100 m de turbina.En la prctica, la longitud est limitada por las condiciones de visibilidad, eltiempo y las pantallas existentes en el paisaje, por ejemplo, topografa,

vegetacin y edificios.

Aunque cada persona tiene una percepcin nica, existe actualmente unconsenso general acerca de las evaluaciones del paisaje. Esto no quiere decir que lamayor parte de la gente posea la misma opinin acerca del paisaje y la esttica, pero hayciertas opiniones regulares en sus juicios. De todos modos, hay que tener en cuenta quelos datos obtenidos de las encuestas no son extrapolables.

La vegetacin puede ser usada para disminuir la interferencia visual tanto a grancomo pequea distancia. Esto, unido a un correcto diseo del parque, reduce el impactovisual.


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Coste del aerogenerador de 600 kW 60 75 mill ptasCostes de instalacin 15- 25 mill ptasTotal 75-100 mill ptas

5.2.- Costes de instalacin de los aerogeneradores

Los costes de instalacin incluyen las cimentaciones, normalmente hechas concemento armado, la construccin de los viales (necesarios para transportar la turbina ylas secciones de la torre al emplazamiento), un transformador (para elevar la corrientede los 690 V a los 10-30 kV de la red elctrica local), la conexin telefnica para elcontrol remoto y vigilancia de la turbina ,y la lnea elctrica que interconexiona losaerogeneradores con la red elctrica local.

Fig. 32. Instalacin de un parque.

Los costes de instalacin evidentemente, varan de uno emplazamientos a otros.As, por ejemplo, los costes de las cimentaciones dependern de las condiciones delsuelo, el de los viales de la distancia a la carretera ordinaria ms prxima; la lneaelctrica de la proximidad o lejana a la red ms prxima. La conexin telefnica y elcontrol remoto no son necesarios pero es relativamente barato y representa grandes

ventajas desde el punto de vista de la operacin. Los costes de transporte, no excedengeneralmente de los 3 mill ptas, incluso si el emplazamiento es muy complejo.

De nuevo el efecto de las economas de escala se hace notar. Obviamente esmucho ms rentable conectar varios aerogeneradores entre s que conectar una unidadaislada a la red. Por otro lado, hay limitaciones impuestas por la red elctrica en cuantoa la capacidad de absorcin de sta de la energa generada en un parque elico. Si la redelctrica es dbil, habr que reforzarla. El pago de estas mejoras vara de un pas a otro,

bien la compaa elctrica o el propietario del parque elico.


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5.3.- Costes de operacin y mantenimiento de aerogeneradores

Los modernos aerogeneradores se disean para operar unas 120000 horasdurante toda su vida, es decir, alrededor de 20 aos. Evidentemente, esta duracin esmucho mayor que la de un automvil, cuya vida til puede rondar las 6000 horas.

La experiencia demuestra que los costes de mantenimiento son relativamentebajos cuando el aerogenerador es nuevo, pero que se incrementan conforme laaeroturbina envejece. Por otro lado, los recientes estudios demuestran que los nuevosdesarrollos tecnolgicos requieren menores costes en mantenimiento que lasaeroturbinas diseadas en la dcada pasada. El estudio desarrollado en Dinamarca nosmuestra que las aeroturbinas antiguas, de entre 25 y 150 kW tienen costes demantenimiento anuales medios del 3 % de la inversin original. Las nuevasaeroturbinas, sustancialmente mayores, presentan costes de mantenimiento por kWinstalado mucho menores, estimndose este valor en torno al 2% por ao de la inversinoriginal.

La mayor parte de los costes de mantenimiento es una cantidad fija por ao paraatender el servicio regular de las turbinas, aunque en otros entornos prefiere hblarse deuna cantidad fija por kWh de produccin energtica, entorno a 1.5 ptas /kWh. La raznde utilizar este mtodo es que el desgaste en el aerogenerador normalmente aumenta alaumentar la produccin.

Otro aspecto importante a considerar es la sustitucin de los elementos daadoso ms desgastados en un aerogenerador. Los propietarios de una aeroturbina queconsideran que sta ha alcanzado ya el final de su vida til, pueden plantearse la

sustitucin de alguno de los elementos, como las palas, el multiplicador o el generador.El coste de estas reparaciones ronda del 15 al 20 % del precio original de la aeroturbina.

A la hora de plantear la poltica de amortizacin de un parque elico, hay queconsiderar cual es la vida til de un projecto elico. Hoy en da, los componentes de unaerogenerador se disean para durar 20 aos. Evidentemente sera posible disearlos

para soportar un periodo de tiempo mayor, pero sera una prdida de tiempo, ya que seproducira el fallo de otros componentes.

El plazo de diseo de 20 aos es un compromiso econmico muy til para losingenieros y promotores de los parques elicos. Sus clculos han de garantizar una

escasa probabilidad de fallo en los componentes en ese periodo de 20 aos. La duracinde un aerogenerador depende tanto de la calidad de la aeroturbina como de lascondiciones climticas locales, por ejemplo, la turbulencia en el emplazamiento. Eneste caso, las turbinas colocadas en mar abierto (off-shore) estn sometidas a menorturbulencia y su vida til es mayor.

5.4.- Los costes financieros

Los resultados econmicos que se obtengan en las instalaciones elctricasconectadas a la red van a depender fundamentalmente de la perspectiva financiera queadopten los inversores, es decir, cun rpido quieren recuperar su capital, y como la tasade retorno deseada puede afectar a la viabilidad de un proyecto elico. As, un corto


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periodo de retorno y una alta tasa de retorno eleva el precio de la electricidad, comoaparece en la figura 64.

Las autoridades pblicas, a la hora de realizar clculos sobre la viabilidad de unproyecto, no consideran factores tales como la inflacin o el sistema de impuestos. Sin

embargo, los inversores privados o las compaas elctricas tienen otro punto de vista, ytienen en cuenta las variables introducidas por la poltica gubernamental. Estosinversores tomarn las decisiones sobre los flujos de caja y los periodos de retorno.

Fig. 33. Costes financieros.

Las autoridades pblicas encargadas de la generacin elctrica establecen comoperiodo de amortizacin de las instalaciones el correspondiente a la vida media de lasturbinas, normalmente de 15 a 20 aos, mientras que los inversores privados desearanrecuperar el coste de las turbinas durante el periodo de amortizacin del prstamo

bancario. Las tasas de inters utilizadas por las autoridades pblicas son siempremenores que las empleadas por los inversores privados.


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Dinamarca DKK 0.5675 0.077Espaa ESP 8-10 0.050-0.075Francia FRF 0.1478-0.3881 0.023-0.060Grecia (continental) 17.47 0.058Grecia (islas) 22.46 0.075

Holanda NGL 0.16 0.074Irlanda IRP 0.035-0.04 0.045-0.052Italia ITL 173.5 0.091Portugal PTE 12 0.062Reino Unido GBP 0.04-0.06 0.051-0.076Suecia SKK 0.45 0.055

Muchos pases de la Unin Europea fomentan la introduccin de la energaelica a travs de ayudas econmicas. Es el caso de Dinamarca y Alemania entre otros,en los que la energa del viento es vendida por la compaa elctrica a un precio

prximo al precio que los consumidores pagan por la electricidad. En otros pases,como en el Reino Unido, la electricidad es vendida por parte de un nmero limitado deproductores, seleccionados en funcin del precio. Otros pases han elegido una de estasdos opciones, y algunas veces incentivados tambin por ayudas especiales.

6.- EL FUTURO: PARQUES ELICOS MARINOS

(offshore)

6.1.- Introduccin

Ms de 4000 MW de potencia elica van a ser instalados en los mares danesesen los prximos 30 aos. La utilizacin de mayores aerogeneradores, cimentacionesms baratas y las condiciones del viento en los emplazamientos marinos estnaumentando la confianza de las compaas elctricas, gobiernos y fabricantes deaerogeneradores en relacin a estos parques.

Ya se ha demostrado la rentabilidad de los parques elicos terrestres, pero la

energa elica est cruzando una nueva frontera, la frontera marcada por el mar. Loscostes futuros de generacin sern de 4-5 $/kWh, lo que har que la energa elica en elmar junto con otras fuentes de energa, sea altamente competitiva.

En Dinamarca se han desarrollado dos proyectos piloto durante los ltimos aos,utilizando aerogeneradores convencionales: Vindeby, en 1991 y Tunoe Knob en 1995.Otros dos proyectos se han desarrollado en las poco profundas aguas de Ijselmeer,

prximos a las costas de Holanda. El ltimo proyecto consiste en 19 aerogeneradoresde 600 kW, completado en 1996. Otros 5 aerogeneradores de 600 kW se instalaron alfinal de 1997 en el sur de Gotland, en Suecia. Hay que destacar que todos los proyectosanteriores son proyectos piloto. Los futuros proyectos sern mucho mayores.


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Si observamos la distribucin estadstica de vientos, la mayor parte de la energase produce a velocidades prximas al doble de la velocidad media del emplazamiento.Adems, tambin se observa una correlacin entre el pico de consumo con el pico develocidades de viento (ms viento durante el da que durante la noche, y ms viento en

invierno que en verano).Por tanto, podemos considerar que es una ventaja tener una generacin elctrica

lo ms estable posible. En el mar, los periodos de calma son relativamente extraos, ycuando ocurren son muy cortos. Por tanto, el factor de capacidad de generacinelctrica en el mar es superior que en tierra firme.

6.2.4.- Mayor abundancia de recurso elico

Los recursos elicos en los mares de la Unin Europea son enormes. Los

recursos elicos presentes en mares de profundidades hasta 50 m son notablementemayores que el consumo elctrico total.

No obstante, el recurso elico en los mares no est distribuido regularmente. Enel caso de Dinamarca, la energa elica marina podra proporcionar ms de 10 veces elconsumo total de energa del pas, debido a la abundancia de emplazamientos con

profundidades entre 5 y 15 m.

6.2.5.- Menor rugosidad superficial: Aeroturbinas ms baratas

Otro argumento a favor de esta energa es la menor rugosidad del agua, que haceque la velocidad prcticamente no vare verticalmente. Esto permitir el empleo detorres mucho menores, con la consiguiente reduccin de costes.

6.2.6.- Menor turbulencia: Mayor vida de la turbina

La diferencia de temperaturas entre la superficie marina y la del aire circundantees mucho menor que la diferencia presente en tierra, sobre todo, durante el da Estoimplica una menor turbulencia que en tierra, y por tanto, un menor nivel de fatigamecnica, que se manifiesta en una mayor duracin de los componentes. Dicha

duracin podra estimarse en torno a los 25-30 aos, mientras que en tierra la duracinsera de 20 aos.

6.3.- Costes de los parques elicos marinos

La primera consideracin que puede hacerse en este terreno es que mientras queel coste de los aerogeneradores por kW de potencia instalada y los costes de instalacin

por kW instalado en tierra han ido cayendo durante los ltimos 20 aos, los costes deinstalacin en el mar han permanecido ms o menos estables.

Las cimentaciones y la conexin a la red se realizan a un coste moderado de

menos de 60000 ECU por aerogenerador. Las cimentaciones suponen el 6% delproyecto, mientras qye la conexin a la red implica el 3 %.


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En los proyectos marinos, las cimentaciones y la conexin a red suponen unaumento importante en los costes. Las cimentaciones suponen en torno al 23 % del

proyecto y la conexin a red, el 14 %.

6.3.1.- Economas de escala

El efecto de las economas de escala podemos verlo en dos dimensiones:tamao de mquina y nmero de unidades por parque.

6.3.1.1.- Tamao de los aerogeneradores

Las olas y en algunos lugares, los icebergs son los principales factores queafectan a la resistencia estructural y el peso de las cimentaciones. Consecuentemente,

es ms rentable desde el punto de vista econmico utilizar mayores aerogeneradores, yaque el tamao y coste de las cimentaciones no aumenta en proporcin al tamao delaerogenerador.

Otro factor importante es la conexin a la red. Evidentemente es mseconmico conectar unas pocas aeroturbinas que no un gran nmero de ellas.

Las grandes mquinas tambin permiten ahorrar dinero en mantenimiento, yaque el mantenimiento de las mismas ha de hacerse en barco, lo que encarece el mismo.

Actualmente en el mercado se encuentran disponibles aerogeneradores del orden

del MW de potencia. De hecho, estos diseos se realizaron pensando en losemplazamientos marinos. El problema del aumento del tamao es el transporte hasta elemplazamiento.

6.3.1.2.- Tamao de los parques

El tamao ptimo de los parques desde el punto de vista econmico en el mar esmayor que en tierra. Los costes de instalar un cable marino de 150 MW no difieremucho del de instalar un cable de 10 MW . Hoy en da, el tamao ptimo de los parquesuele encontrarse entre 120 y 150 MW. El lmite superior viene marcado por el nmero

de emplazamientos que pueden acondicionarse durante la temporada, utilizando barcos -gra, y un nmero limitado de barcos y otros elementos.

6.3.2.- Nuevas tecnologas de c imentacin

El factor ms influyente en cuanto a los costes en los parques elicos marinos esel coste de las cimentaciones. La utilizacin de cimentaciones de acero en lugar dehormign parece que puede disminuir los costes de cimentaciones hasta en un 35%.

Mientras que las plataformas de hormign tienden a ser prohibitivamentepesadas y caras para instalarlas en profundidades mayores de 10 m, parece que el restode tecnologas son rentables econmicamente por lo menos hasta los 15 metros de


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profundidad, y posiblemente, en profundidades mayores. En todo caso, el costemarginal de situar las torres en emplazamientos ms profundos es poco importante.

La proteccin frente a la corrosin de las cimentaciones de acero puederealizarse elctricamente, utilizando la proteccin catdica, sin que sea necesaria la

intervencin humana una vez que ha sido instalada.

6.3.2.1.- Cimentaciones por gravedad

Las cimentaciones de los parques elicos marinos daneses se construyen entierra con hormign armado, y luego son transportadas al emplazamiento marino dondese rellenan con grava y arena. Estas cimentaciones se llaman cimentaciones porgravedad.

Una de las nuevas tecnologas ofrece un mtodo similar, pero usando un tubocilndrico de acero sobre una base lisa de acero que se coloca en el fondo del mar. Estacimentacin es ms ligera, y permite el transporte en barco de varias cimentaciones, ascomo el uso de la misma gra que la que se emplea en el montaje de losaerogeneradores. Estas construcciones se rellenan con un mineral pesado que

proporciona el suficiente peso como para soportar las olas marinas y las tensionesgeneradas por el hielo.

6.3.2.2.- Cimentaciones monopila

Consiste en extender la torre, taladrando el fondo marino e insertando la torre enel lecho marino.

6.3.3.- Reuti lizacin de las cimentaciones

Mientras que las cimentaciones se construyen para soportar vidas de hasta 50aos, los aerogeneradores se disean para 20 aos de duracin, o como mucho,

podemos extender su duracin hasta los 25 aos. Es decir, una misma cimentacinpuede albergar dos generaciones de aerogeneradores. Si se puede lograr esto, los costes

de generacin elctrica disminuyen hasta en un 25-33%.

6.4.- Modificaciones en el diseo de las aeroturbinas paraparques marinos

Los aerogeneradores empleados en parques marinos son mquinas estndarentre 450 y 600 kW, con algn sistema adicional de proteccin frente a la corrosin. Noobstante, poco a poco van apareciendo algunas modificaciones.

En algunos emplazamientos, se colocan gras en cada aerogenerador parafacilitar la sustitucin de algunos componentes importantes, como pueden ser las palas oel generador, sin necesidad de utilizar gras flotantes, que encarecen la operacin.


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Otras modificaciones llevan a aumentar la velocidad de rotacin, lo que aumenta laefectividad de las turbinas en un 5 6 %. La mayor velocidad de rotacin siempreimplica un mayor nivel de ruidos, aunque en este caso no supone un problema ya que elnivel sonoro en la costa es inferior a 3 dB (A). Finalmente, las turbinas se pintan decolor gris claro estndar de la OTAN, color utilizado como camuflaje. Las palas se

pintan exactamente del mismo color. El resultado es que una pequea neblina hacedesaparecer completamente los aerogeneradores cuando se observan desde la costa.

6.5.- Operacin del parque

El control remoto y la vigilancia a distancia de los parque son primordiales eneste tipo de instalaciones, mucho ms que en los parques terrestres. En las mquinas delorden del MW de potencia, la utilizacin de sensores de vibracion son muy tiliescuando se trata de conservar la integridad fsica de la mquina.

Teniendo en cuenta que las malas condiciones meteorolgicas dificultanenormemente el acercamiento del personal a la torre para labores de mantenimiento, hayque garantizar un factor de disponibilidad lo ms elevado posible, en torno al 99%. Los

programas de mantenimiento preventivo son vitales para optimizar el funcionamiento deestos parques.

6.6.- Impacto medioambiental

6.6.1.- Vida animal

Los proyectos de parques elicos marinos en Dinamarca han sido estudiados afondo por los responsables medioambientales. En Vindeby se realiz una investigacinsobre la colonia de peces antes y despus de la instalacin. El resultado fue unincremento en el nmero de especies, atribuble a que las cimentaciones de losaerogeneradores eran utilizadas por los peces como arrecifes. Los mejillones sedesarrollaron en las cimentaciones de los aerogeneradores y en general, la flora y lafauna del rea mejor en variedad con la instalacin de las torres.

En Tunoe Knob se realiz un extenso programa de estudio durante 3 aos de losefectos del parque sobre la poblacin de patos. Se coloc una pequea plataforma con

alimento para los patos, a una distancia aproximada de 1 km del parque. Se realizarondiferentes observaciones desde la torre, contando el nmero de individuos y estudiandoel comportamiento en vuelo. Se realiz un estudio similar en un rea sinaerogeneradores.

El resultado mostr que la presencia de pjaros est correlada con la presenciade comida, pero el parque elico no influy ningn efecto sobre su comportamiento.

6.6.2.- La emisin de CO2

Los aerogeneradores no emiten CO2, Nox o Sox durante su funcionamiento, y serequiere muy poca energa para su fabricacin, mantenimiento y desguace de un parque.


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Produccin parcialPartial-load o r.

Plena ProduccinFull-load opr.

InicioStart

Comprobacin delaerogenerador

ParadaStop

Desconexinemergencia

Paradafuncionamiento

Modo paroStand Still

Modo de esperaWaitin state

Proceso conexinRunning Up

ReiniciacinStarting

Figura 1: Estructura del sistema de control de un aerogenerador.

7.1 Estados de funcionamiento y control de un aerogenerador

El aerogenerador est normalmente en modo automtico. De todas formas, durante elmantenimiento y la puesta en servicio es necesario operar manualmente o semi-automticamente la planta (por ejemplo, algunas seales del sistema tienen que serintroducidas manualmente).

Los estados de funcionamiento temporales solamente pueden estar activos durante untiempo mximo. Despus de que el mximo tiempo se ha sobrepasado, se comienza ladesconexin debido a que hay que suponer que hay un fallo en el sistema.

Sin embargo, la duracin durante el funcionamiento estacionariono est limitado. Laplanta permanece en este estado mientras se cumplan todas las condiciones defuncionamiento normal. En los siguientes diagramas se muestra la estructura y losmensajes correspondientes.

En todos los estados de funcionamiento, las condiciones de operacin normal deben sercomprobadas continuamente. Solamente el cambio de una condicin puede provocar elcambio a parada (stop), apagado (shut-down), desconexin debido a fallo (fault-disconnection) o parada de emergencia (emergency-disconnection). No obstante, para elinicio de los estados pausa o conexin, todas las condiciones deben ser validadas.


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7.1.1 Comprobacin del aerogenerador (estado temporal)

Despus de la puesta en servicio del sistema de control, se comprueban y guardan losvariables monitorizadas, de control y las que puedan afectar al sistema. El esquema 2muestra la estructura del test del parque y refleja los mensajes ms importantes.

Las salidas de todos los subsistemas se comprueban que corresponden al modo paro(standstill) y se comprueba que todos los actuadores funcionan. Para comprobar losactuadores, se activan y se mide con los sensores la respuesta. Si ocurre algn error, stese graba y se interrumpe el proceso hasta que el error ha sido subsanado y la planta seha desbloqueado manualmente.

Todos los componentes de la planta y sus lmites deben ser comprobados en todos losestados de funcionamiento. El sistema de gestin del aerogenerador comprueba elfuncionamiento correcto de todos los sistemas (por ejemplo, que las temperaturas estndentro de los rangos de funcionamiento).

Si la verificacin de la planta ha sido positiva, la planta cambia al estado defuncionamiento siguiente; de otra forma contina comprobando el sistema hasta que secumplen las condiciones para desbloquear la central: que un operario pulse un botn,rearme despus de una parada de emergencia, tensin en la red elctrica y dentro de losmrgenes, funcionamiento de los componentes, temperaturas y valores lmite. En talcaso, el aerogenerador muestra el mensaje System OK o similar.

7.1.2 Paro (estado estacionario)

El estado de paro en el parque se caracteriza porque todos los aerogeneradores tienen elrotor bloqueado, con los frenos activados. Las palas de los aerogeneradores estn enposicin bandera (en caso de que las mquinas tengan palas mviles o aerofrenos en lapunta). La gndola se orienta segn la direccin del viento. Si los cables que van dentrode la torre estn enrollados, se desenrollan si la velocidad de viento no es excesiva. Elgenerador elctrico se desconecta y por ltimo se comprueba que se cumplen lascondiciones necesarias para que el aerogenerador est listo para producir. Si todas lascondiciones se cumplen, se produce el cambio al estado pausa o en espera. Al igualque durante la comprobacin del aerogenerador, los mensajes fallo de la alimentacinelctrica, enrollamiento de cables se caracterizan por su nmero de fallo.


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Conexin

viento> max

No

SDesconexin porviento excesivo(promediado)

Inicia la sincronizacine inicia la

temporizacin

5

8

Botn de paropulsado?

No

SParadamanual9

Parada debida afallo?

No

SDesconexin porun falloS.A.

Botn de pausapulsado?

No

SModo pausa activa-do manualmente9

ncrit-nr


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Figura 4: Velocidad del generador, paso de palas y potencia durante la conexin de unaerogenerador de velocidad y paso de palas variable.

En la figura 4, podemos ver que la mquina se acelera antes de la conexin y el pasoaumenta ligeramente para que la fuerza de sustentacin de las palas (y por tanto, el parde giro) sea menos sensible a fluctuaciones de la velocidad de viento. Tal como se ve enla grfica 5, si el viento aumenta en ese instante, la velocidad especfica disminuye al

igual que la eficiencia aerodinmica de la pala Cp y el rotor no se embala. Si el vientodisminuye, aumenta la eficiencia del perfil aumenta y se compensa.

Figura 5: Coeficiente de potencia frente a la velocidad especfica para un valor dadode paso de pala.

La velocidad especfica es la relacin entre la velocidad de la punta de la pala y lavelocidad del viento (cuando la velocidad de viento aumenta, como el rango de

velocidades de giro de las palas es pequeo, disminuye y la curva hay que analizarlacon el eje horizontal al revs de lo que cabra pensar a primera vista). El coeficiente

El generador se vuel-ve a acelerar al poco

de la conexin.

A partir de la orden demarcha, el pitch au-

menta para incrementarel par de arranque.

El generador se ace-lera hasta 1375 rpmantes de la conexin

El generador se frena

hasta 1355 rpm ydisminuye el pitch justodespus de la conexin

Paso de funcionamientohiposncrono a la banda de

transicin en 1415 rpm.

Paso de funcionamientode la banda de transicinal rgimen hipersncrono

en 1555 rpm.

Punto defuncionamiento

durante la conexin(por debajo del

mximo).

Vientos ms suavesVientos ms fuertes

Coeficiente de potencia frente a velocidad especfica


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de potencia elctrico Cees la energa elctrica extrada del viento dividido por la energaque contiene el viento.

7.1.6.a Funcionamiento a carga parcial (estado estacionario)

Durante el funcionamiento a carga parcial, el generador vierte energa a la red. Elngulo de la pala se ajusta segn las condiciones de cada instante para alcanzar losvalores ptimos. Normalmente, no se puede obtener una medida directa de la velocidadde viento ya que el anemmetro del aerogenerador est situado en la cola de la gndolael flujo de aire est perturbado por las palas y la propia gndola.

Tampoco es viable tomar la velocidad de una torre meteorolgica puesto que ladistribucin de viento puede cambiar en unas decenas de metros debido a efectoslocales (obstculos, efectos sombra de otros aerogeneradores, etc). Adems unanemmetro siempre nos va a dar una medida puntual, mientras que las palas del

aerogenerador barren un rea que puede superar los 2.000 m2

, desde unos metros 20 mpor encima del terreno hasta 80 m o ms.

Para el buen funcionamiento de la regulacin de un aerogenerador es fundamental teneruna medida fiable de la velocidad de viento. Normalmente, el sistema de control estimael viento (propiamente dicho, el contenido energtico del viento en el rea barrida porlas palas) segn la velocidad de giro de las palas. En realidad, la estimacin ptima delviento puede requerir conocer varios parmetros como el paso de palas, anemmetro decola, potencia producida, etc. y puede utilizar tcnicas de inteligencia artificial.

Si la velocidad de viento se incrementa suficientemente, el aerogenerador

automticamente cambia al estado estacionario funcionamiento a plena carga.

Curva de potencia del aerogenerador

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 2 4 6 810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Velocidad (m /s)

Potencia(kW)

Figura 6: Curva de potencia tpica de una mquina de paso variable (Vestas V66, de

1650 kW de potencia y 66 m de dimetro).

Funcionamiento acarga parcial (desde

la velocidad dearranque). Funcionamiento a

plena carga (a partirde la velocidad

nominal)

Desconexinpor excesivoviento(velocidad de


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Durante el funcionamiento a carga parcial, la regulacin de la velocidad y de la potenciavertida a la red elctrica ocurre a travs del convertidor de frecuencia del generador. Elsistema calcula el valor de velocidad de giro segn la curva caracterstica potencia-velocidad del generador y la torre contina orientndose automticamente.

El subsistema de control del paso de palas funciona como parte del sistema deseguridad, accionando los frenos del rotor si existe algn problema.

Funcionamiento acarga parcial

viento 0,1 nN/s

No

SAceleracin mxi-ma sobrepasada8

P > 100 kW/s

No

SVariacin de po-tencia sobrepasadaS.A.

no-nr


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E v o l u c i n d e l a v e l o c i d a d d e l v i e n to

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

18:3

0:00

18:4

5:00

19:0

0:01

19:1

5:01

19:3

0:01

19:4

5:01

20:0

0:01

20:1

5:02

20:3

0:02

20:4

5:02

21:0

0:02

21:1

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21:3

0:03

21:4

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22:0

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