Energiaeolicap2 rev03

ENERGÍAS ALTERNATIVASEnergía eólica II, por Fco Villafranca Gracia

Energía eólicaParte II

¿Cómo funciona? Generadores eólicos

SUMARIO2

IES Barañáin. Dpto. Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyrigth 2009/2017

Energía eólica

¿Cómo funciona?WEB1WEB2

3


http://xn--drmstrre-64ad.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/es/tour/wres/index.htm

http://www.ifm.com/ifmes/web/apps-by-industry/cat_060.html

Energía eólica

Componentes Góndola

Buje Palas del rotor Eje de baja velocidad con su freno mecánico Multiplicadora Eje de alta velocidad Generador eléctrico Mecanismo de orientación Controlador electrónico Sistema hidráulico Unidad de refrigeración Veleta Anemómetro

Torre

¿Cómo funciona? 14


Energía eólica

Aerodinámica en aerogeneradores Sustentación.

¿Qué es lo que hace que el rotor gire? Obviamente el viento Sustentación

Las partículas de aire se reencuentran: el aire que se desliza a lo largo de la superficie superior del ala se mueve más rápidamente que el de la superficie inferior.

Esto implica una presión más baja en la superficie superior, lo que crea la sustentación, es decir, la fuerza de empuje hacia arriba que permite al avión volar o las palas girar. (T. Bernoulli)

¿Cómo funciona?. 2-a5


Alta presión

Velocidad mayor (presión baja)Empuje

Bernoulli

Energía eólica

Aerodinámica en aerogeneradores Sustentación.

¿Qué es lo que hace que el rotor gire? Obviamente el viento Sustentación

¿Cómo funciona?. 2-b6


Energía eólica

Aerodinámica en aerogeneradores Aerodinámica del rotor

¿ Por qué están torsionadas las palas del rotor? la pala debe estar alabeada, con el fin de que

el ángulo de ataque del viento sea el óptimo a lo largo de toda la longitud de la misma

¿Cómo funciona?. 37


Energía eólica

Control de potencia en aerogeneradores. 1 Están generalmente diseñados para rendir al

máximo a velocidades alrededor de 15 m/s Si los vientos son de gran velocidad es

necesario pararlos electromecánicamente o que giren fuera del viento

Hay dos tipos de control: pitch controlled stall controlled



Energía eólica

Control de potencia en aerogeneradores. 3 Aerogeneradores de regulación por cambio del

ángulo de paso ("pitch controlled") Hacer girar a las palas alrededor del eje longitudinal y

estás giran ligeramente fuera del viento. Aerogeneradores de regulación por pérdida

aerodinámica ("stall controlled") Hacer perder la sustentación de forma gradual,

debido a la turbulencia creada en la pala.

Otros métodos de control de potencia Alerones flags.



Energía eólica

Mecanismo de orientación El mecanismo de orientación de un

aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento.



Casi todos los aerogeneradores de eje horizontal emplean orientación forzada , es decir, utilizan un mecanismo que mantiene la turbina orientada en contra del viento mediante motores eléctricos y multiplicadores.

http://www.windpower.org/es/tour/design/horver.htm

Energía eólica

Torres de aerogeneradores. 1 Tubulares de acero Torres de celosía Torres de mástil tensados con viento Torres híbridas Consideraciones de coste Consideraciones de dinámica estructural Elección entre torres altas y bajas Consideraciones sobre la seguridad en el

trabajo



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Torres de aerogeneradores. 2 Tubulares de acero



La torre del aerogenerador soporta la góndola y el rotor. En los grandes aerogeneradores las torres tubulares pueden ser de acero, de celosía o de hormigón. Las torres tubulares tensadas con vientos sólo se utilizan en aerogeneradores pequeños (cargadores de baterías, etc.).

Energía eólica

Torres de aerogeneradores. 2 Tubulares de acero



La mayoría de los grandes aerogeneradores se entregan con torres tubulares de acero, fabricadas en secciones de 20-30 metros con bridas en cada uno de los extremos, y son unidas con pernos "in situ". Las torres son tronco-cónicas (es decir, con un diámetro creciente hacia la base), con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material.

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Torres de aerogeneradores. 3 Torres de celosía



Las torres de celosía son fabricadas utilizando perfiles de acero soldados. La ventaja básica de las torres de celosía es su coste, puesto que una torre de celosía requiere sólo la mitad de material que una torre tubular sin sustentación adicional con la misma rigidez. La principal desventaja de este tipo de torres es su apariencia visual (aunque esa cuestión es claramente debatible). En cualquier caso, por razones estéticas, las torres de celosía han desaparecido prácticamente en los grandes aerogeneradores modernos.

Energía eólica

Torres de aerogeneradores. 4 Torres de mástil tensados con vientos



Muchos de los aerogeneradores pequeños están construidos con delgadas torres de mástil sostenidas por cables tensores. La ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto, de coste. Las desventajas son el difícil acceso a las zonas alrededor de la torre, lo que las hace menos apropiadas para zonas agrícolas. Finalmente, este tipo de torres es más propensa a sufrir actos vandálicos, lo que compromete la seguridad del conjunto

Energía eólica

Torres de aerogeneradores. 5 Torres híbridas



Algunas torres están hechas con diferentes combinaciones de las ya mencionadas. Un ejemplo es la torre de tres patas Bonus 95 kW de la fotografía, de la que podría decirse que es un híbrido entre una torre de celosía y una torre tensada con vientos.

Energía eólica

Torres de aerogeneradores. 6 Consideraciones aerodinámicas

Las torres de celosía y las de mástil tensado con vientos tienen la ventaja de ofrecer menos abrigo que una torre maciza.

Desventaja de poner torres altas en zonas de rugosidad, ya que la velocidad del viento aumenta con la altura.

Consideraciones de coste El precio de la torre suele costar el 20% del coste de la

turbina Lo importante es construir las torres de la forma más

óptima posible, eso abaratará el coste de la energía



Energía eólica

Torres de aerogeneradores. 7 Consideraciones de dinámica estructural

Las palas del rotor de turbinas de torres relativamente cortas están sometidas a velocidades de vientos muy diferentes (y, por lo tanto, a diferente flexión) cuando la pala se encuentre en su posición más elevada y su posición más baja, lo que provoca un aumento de la carga de fatiga en las turbinas.



Energía eólica

Torres de aerogeneradores. 8 Elección entre torres altas y bajas



225 Kw 27 m de diámetro600 Kw 47 m1500 Kw 60 m

Coste por metro de torre. 22.000 €/10m. Rugosidad promedio del terreno.El precio que obtiene el propietario por un Kwh

Energía eólica

Torres de aerogeneradores. 9 Consideraciones sobre seguridad en el

trabajo La elección de un determinado tipo de torre

tendrá consecuencias sobre la seguridad en el trabajo



Energía eólica

Tamaño de turbinas. 1 La potencia producida aumenta con el área

de barrido del rotor



1,5 Mw. 32 m de pala del rotor

Energía eólica

Tamaño de turbinas. 1 Razones para elegir grandes turbinas Existen economías de escala en las turbinas eólicas, es decir, las

máquinas más grandes son capaces de suministrar electricidad a un coste más bajo que las máquinas más pequeñas.. La razón es que los costes de las cimentaciones, la construcción de carreteras, la conexión a la red eléctrica, además de otros componentes en la turbina (el sistema de control electrónico, etc.), son más o menos independientes del tamaño de la máquina

Las máquinas más grandes están particularmente bien adaptadas para la energía eólica en el mar, y en lugares de gran extensión con vientos constantes (Sistema Ibérico). Los costes de las cimentaciones no crecen en proporción con el tamaño de la máquina y los costes de mantenimiento son ampliamente independientes del tamaño de la máquina.

En áreas en las que resulta difícil establecer varias turbinas una torre alta utiliza los recursos eólicos existentes de manera más eficiente



http://www.windpower.org/es/tour/wtrb/tower.htm

Energía eólica

Tamaño de turbinas. 1 Razones para elegir pequeñas turbinas Las máquinas más pequeñas pueden ser una ventaja en

una red eléctrica débil. Baja fluctuación de la energía eléctrica. Baja densidad de población y poco consumo de electricidad

en el área. El coste de usar grandes grúas, carreteras, etc. máquinas más grandes están particularmente bien

adaptadas para la energía eólica en el mar, y en lugares de gran extensión con vientos constantes. Los costes de las cimentaciones no crecen en proporción con el tamaño de la máquina y los costes de mantenimiento son ampliamente independientes del tamaño de la máquina.

Consideraciones estéticas en relación al paisaje pueden a veces imponer el uso de máquinas más pequeñas.



Energía eólica

Aerogeneradores Según el tipo de generador

C.A. C.C.

Según el tipo de eje Eje horizontal Eje vertical

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Energía eólica

Generadores de turbinas eólicas. 1 Funcionamiento. Se fundamenta en las leyes del

electromagnetismo Si circula corriente por un conductor alrededor del mismo, se crea un

campo magnético. Si la corriente es variable el campo magnético será variable.

Si un campo magnético variable abraza a un conductor eléctrico, en dicho conductor se creará una f.e.m. inducida, es decir, una tensión eléctrica. (fundamento del generador).

Si por un conductor pasa una corriente eléctrica, y éste, está dentro de un campo magnético, dicho conductor será expulsado de dicho campo (fundamento del motor)

Tipos de Generadores De C.A.

Síncronos Asíncronos

De C.C.

¿Como funciona?.2125


Energía eólica

Principios básicos. Generadores de turbinas eólicas. 2

Los generadores de las turbinas eólicas son máquinas rotativas de C A, que basadas en las leyes de la inducción electromagnética, convierten la energía mecánica de rotación en energía eléctrica.

La industria eólica utiliza máquinas síncronas o asíncronas. La velocidad del eje de una máquina síncrona viene

impuesta por la velocidad de sincronismo de la red, es decir por su frecuencia.

La velocidad del eje de una máquina asíncrona será mayor que la velocidad de los campos magnéticos giratorios de la red.

¿Como funciona? 2226


Energía eólica




¿Por qué ocurre esto?El efecto es debido al movimiento del campo magnético con respecto a la masa metálica. Cuando un conductor (en este caso la masa metálica) se mueve en el seno de un campo magnético (el generado por el imán) o el campo magnético se mueve con respecto al conductor, el conductor responde tratando de anular el efecto del imán: se generan corrientes inducidas (corrientes de Focault) que crean un campo magnético contrario al que actúa, que en este caso, provoca que se mueve el sistema. Se trata de un ejemplo de la conocida como Ley de Lenz. El resultado es que el campo del imán atrae al secundario que se crea en la masa metálica.

Símil físico

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motor asíncrono motor síncrono



ns= sincronismo n2=n2 < ns

Cada electroimán produce alternativamente un polo N y un polo SEn el imán permanente: rojo (polo N), gris (S)

ns= n1

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Generadores de turbinas eólicas. 5 Generador síncrono: es una máquina eléctrica

que basada en las leyes de la inducción electromagnética, convierte la energía mecánica de rotación en energía eléctrica Está formado de una parte móvil o rotor y de una

parte fija o estator. El rotor gira debido al empuje de una parte externa,

llamada turbina. Por medio de anillos rozantes y escobillas se acopla una fuente de corriente continua variable a sus devanados que en ellos genera un campo magnético o un flujo constante que al estar acoplado al rotor, crea un campo magnético giratorio, que en los devanados del estator induce una corriente alterna trifásica. (en deshuso)



Energía eólica

Generadores de turbinas eólicas. 6 Generador síncrono



La aguja imantada representa el rotor (un imán permanente) en este caso tiene 2 polos o sea p=1 (nº de pares de polos)La turbina junto con la caja multiplicadora hará girar al eje del rotor del alternador eléctrico a una velocidad de 3000 r.p.m para que la frecuencia de la red sea de 50 Hz. f=n p /60 , n =60 f/p = 60 x 50 /1 = 3000 r.p.m.

Es decir, que la frecuencia y la velocidad de giro del eje la impone la red, además dicha velocidad depende del nº de polos de la máquina.

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Generadores de turbinas eólicas. 7 De inducido rotante.



Inductor fijo (estator) e inducido rotante (rotor)

Se utiliza para pequeñas potencias:1.Grupos electrógenos portátiles2.Excitatrizes

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Generadores de turbinas eólicas. 8 De rotor con polos salientes.



Son de inducido fijo (estator) y rueda polar giratoria accionados por un motor térmico, hidráulico o turbina del aerogenerador. El inducido estático es la sede de las C.A. , entrega energía directamente al consumo. Es la máquina más común en las centrales hidráulicas (con gran nº de polos)

Se utilizan para grandes potencias.

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Generadores de turbinas eólicas. 9 De rotor con polos lisos.



Son de inducido fijo (estator) , el rotor esta ranurado donde se alojan las bobinas alimentadas por C.C a través de anillos y escobillas, y que forman los polos, generalmente de 2 o 4 polos Son accionados por turbinas a gas a gas, a vapor a aire.

Se utilizan para grandes potencias y velocidades

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Generadores de turbinas eólicas. 10 De rotor con imán permanente.

Rotor

Estator



Son de inducido fijo (estator) , el rotor es un imán fijo.Evita el uso de anillos rozantes y escobillas para alimentar al rotor.No se aplica para grandes potencias.No se puede controlar el flujo magnético del rotor.Se utiliza para pequeñas potencias.

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Generadores de turbinas eólicas. 11 Generador síncrono

Producen energía reactiva Pueden funcionar de forma autónoma Su rendimiento es mayor El control es más complicado La conexión a red es mas compleja



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Generadores de turbinas eólicas. 12 Generador asíncrono: es una máquina eléctrica que basada

en las leyes de la inducción electromagnética, convierte la energía mecánica de rotación en energía eléctrica Está formado de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator. El rotor puede ser bobinado o de jaula de ardilla. Si hacemos girar el rotor de forma manual a una

velocidad n1 superior a la velocidad síncrona del generador (que viene impuesta por el campo giratorio que crea la red) en ese caso el rotor se mueve más rápidamente que el campo magnético giratorio del estator, lo que significa que, una vez más, que el estator inducirá una gran corriente en el rotor. Cuanto más rápidamente hagamos girar el rotor, mayor será la potencia transferida al estator en forma de fuerza electromagnética, y posteriormente convertida en electricidad suministrada a la red eléctrica.



Energía eólica

Generadores de turbinas eólicas. 13 Generador asíncrono o de inducción



Conversor de frecuencia

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Generadores de turbinas eólicas. 14 Generador asíncrono o de inducción



Jaula de ardilla De rotor bobinado Estator

Energía eólica

Caja multiplicadora

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Energía eólica

Caja multiplicadora de turbinas eólicas.

Si usásemos un generador ordinario, directamente conectado a una red trifásica de CA ( corriente alterna ) a 50 Hz, con dos, cuatro o seis polos, deberíamos tener una turbina de velocidad extremadamente alta, de entre 1000 y 3000 revoluciones por minuto (r.p.m.), Con un rotor de 43 metros de diámetro, esto implicaría una velocidad en el extremo del rotor de bastante más de dos veces la velocidad del sonido, así es que deberíamos abandonar esta opción.

Otra posibilidad es construir un generador de CA lento con muchos polos. Pero si quisiera conectar el generador directamente a la red, acabaría con un generador de 200 polos (es decir, 300 imanes) para conseguir una velocidad de rotación razonable de 30 r.p.m.

La solución es la caja multiplicadora. No cambia la velocidad constantemente, suele tener una relación de 1:50 para aerogeneradores de 750 Kw.



http://www.windpower.org/es/stat/unitsac.htm

Energía eólica

El controlador electrónico

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Energía eólica

El controlador electrónico. El controlador de la turbina eólica consta de

varios ordenadores que continuamente supervisan las condiciones de la turbina eólica, y recogen estadísticas de su funcionamiento. Como su propio nombre indica, el controlador también controla un gran número de interruptores, bombas hidráulicas, válvulas y motores dentro de la turbina.

Comunicación con el mundo exterior. Se monotoriza toda la información. Mecanismos de autoprotección y redundancia.



Energía eólica

Aerogeneradores de C.C.

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Energía eólica

Aerogeneradores de C.C. Son generadores de pequeña potencia y no

están conectados a la red eléctrica y suelen ser de C.C.

Alimentan baterías para suministrar energía eléctrica a casas, granjas, etc.



Energía eólica

Máquinas de eje horizontal y vertical

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Energía eólica

Máquinas de eje horizontal Lentas

Los molinos de viento clásicos Las máquinas multipalas o molino americano

Las potencias suelen ser de 0.5 a 50 Kw, tiene en unas 16 o 24 aspas uniformemente repartidas. La velocidad de arranque es de unos 2 m/s y a plena potencia suele ser de 5 m/s. Suelen tener un diámetro de 6 m. Se utilizan para bombear agua y suministrar energía en zonas rurales.

Rápidas Las máquinas utilizadas en los parques eólicos

modernos. Producen unas potencias mayores de 100 Kw, las hay de dos y de tres palas. Se utilizan para generar energía eléctrica. Actualmente hay aerogeneradores con una potencia de 3 Mw.



Energía eólica

Máquinas de eje horizontal ¿Por qué no un número par de palas?

Problemas en la estabilidad de la turbina, que tenga estructura rígida. La pala más alta se flexiona hacía atrás, mientras la mas baja pasa por la sombra del viento

El concepto tripala danés Un rotor con un número impar de palas (y como mínimo tres palas) puede ser

considerado como un disco a la hora de calcular las propiedades dinámicas de la máquina.

Más estabilidad Tiende a imponerse este diseño.

Concepto bipala Ahorra coste de una pala y peso. Rotor basculante para evitar sacudidas del viento y las palas no choquen con la

torre. Más velocidad para obtener la misma energía.

Concepto monopala Ahorra coste de dos palas y peso. Un contrapeso al lado de buje. Más velocidad para obtener la misma energía



Energía eólica

Máquinas de eje horizontal



Energía eólica

Máquinas de eje horizontal



Energía eólica

Máquinas de eje vertical Se adaptan a cualquier dirección del viento, sin

necesidad de dispositivos de orientación, reciben el nombre de máquinas panémonas.

Son autorregulables. Permite instalar el generador sobre el terreno,

facilita el mantenimiento. Necesita un motor de arranque y el rendimiento

es menor, que las de eje horizontal a igualdad de potencia.

Se utiliza en bajas potencias.



Energía eólica

Máquinas de eje vertical

¿Como funciona?. 4351


Savonius

Darreius

Energía eólica

Un poco de historia

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Energía eólica

Historia Molino de viento de eje horizontal en el siglo I o II a.C.,

corresponde a Hero de Alejandría. Se utilizó para mover el fuelle de un órgano de tubos.

En China en 1219 d.C., se utilizaban molinos de eje vertical, con telas radialmente dispuestas formando un rotor horizontal.

En 1100 d.C, Los primeros molinos de viento de eje horizontal y cuatro palas.

Posteriormente en el siglo XIII se encontraron en Alemania, Dinamarca y Holanda, su uso era la molienda de grano.

Los molinos holandeses desde el siglo XIV se emplearon para el bombeo del agua.

Fue William Thomson el primero que propuso para generar energía eléctrica en 1890.

Un poco de historia53


Energía eólica

Ventajas e inconvenientes

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Energía eólica

Ventajas Energía limpia Gratuita Inagotable

Inconvenientes Dificultad en el transporte y almacenamiento de esta energía. El aire es un fluido de baja densidad. Hay que fabricar

máquinas grandes y por lo cual caras. Producción discontinua. Transporte de partículas abrasivas que dañan las palas. Deterioro de la zona de emplazamiento. Impacto visual. Ruido. Peligro para las aves.

Ventajas e inconvenientes55


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Central eólica

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Energía eólica

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Central eólica

Education

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