Energía Eólica: Integración y Turbinas

Sistemas de Generación de Energía Eólica

• El tema de estudio es la integración de energías renovables dentro de la Ingeniería de la Energía, con énfasis en sistemas de generación eólica.
• Se proporciona un índice de contenidos con varios temas de estudio como aspectos históricos, aspectos generales, costes, panorama, el viento en superficie, mediciones y tratamientos de datos eólicos, principios de conversión de potencia, control de potencia, impacto ambiental y criterios y diseño de las instalaciones eólicas.
• Se describen los principios de la tecnología aeronáutica aplicados a la generación de energía eólica a principios del siglo XX, incluyendo la crisis del petróleo en 1973 y la posterior búsqueda de fuentes alternativas.
• La década de 1970-80, se caracteriza por el desarrollo de los mapas eólicos para cuantificar el potencial disponible. 1979 se marca por la aparición de los sistemas de paso de pala variable, que permite regular la potencia captada.
• La década de 1990 se reconoce como una etapa de crecimiento, en la cual la potencia nominal creció de 300 kW hasta 1500 kW. Se introduce las técnicas de control aerodinámico mediante el paso variable. En las últimas décadas, la eficiencia de la tecnología ha aumentado con el desarrollo de la gestión y el mantenimiento de los parques eólicos, así como la integración eficiente de la energía en la red eléctrica.
• Se destacan mejoras en el diseño estructural de las turbinas y la optimización del uso de materiales, con el objetivo de minimizar el peso y aumentar la resistencia a diversas cargas.
• En la actualidad, la tecnología eólica se ha consolidado como una fuente de energía renovable viable y accesible en muchos países.

1.1 Clasificación de las Turbinas Modernas

• Se clasifican las turbinas modernas basándose en varios criterios: orientación del eje de la máquina, número de palas, velocidad de giro del eje, incidencia del viento sobre la máquina, control y regulación, generador eléctrico y emplazamiento.
• Adicionalmente, se clasifica por su interconexión con la red eléctrica y su velocidad específica.

1.1.1 Según el eje de la máquina

• Eje vertical: los primeros sistemas utilizados para capturar la energía eólica, perpendiculares al suelo, resistentes a ráfagas y sencillas de usar. Sin embargo, tienen limitaciones en la potencia que pueden generar.
• Eje horizontal: son los más comunes e importantes actualmente, con un eje de rotación paralelo al suelo y requieren mecanismos para orientar las palas respecto al viento. Existen varios tipos (monopala, bipala, tripala).

1.1.2 Según el número de palas

• Monopala y bipala: son estructuras simples pero con menor eficiencia.
• Tripala: la configuración más común para la producción de energía eléctrica por su equilibrio y estabilidad.
• Multipala: usual en sistemas para bombeo, con mayor número de palas (entre 16 y 24 palas).

1.1.3 Según la velocidad de giro del eje

• Velocidad constante: El rotor gira a una velocidad fija, menos eficiente.
• Velocidad variable: La velocidad del rotor ajusta a las variaciones del viento, lo que mejora la eficiencia.
• Velocidad semivariable: funciona dentro de un límite de operación, más versátil que la constante, pero menos flexible que la variable.

1.1.4 Según la incidencia del viento

• Máquinas de sotavento (a POPA): el viento golpea la parte posterior del rotor. No precisa sistema de orientación.
• Máquinas de barlovento (a PROA): el viento golpea el rotor primero. Necesita sistema de orientación.

1.1.5 Según su control y regulación

• Aerogeneradores de paso fijo: Las fluctuaciones de velocidad del rotor se corrigen mediante la orientación de la máquina al viento.
• Aerogeneradores de paso variable: La regulación de la velocidad se realiza variando el ángulo de las palas.

1.1.6 Según el generador eléctrico

• Generadores síncronos: el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético.
• Generadores asíncronos o de inducción: el rotor gira a una velocidad algo diferente a la del campo magnético.

1.1.7 Según su Emplazamiento

• Aerogeneradores terrestres (onshore): en tierra firme.
• Aerogeneradores marinos (offshore): en alta mar.

1.1.8 Según su interconexión con la red

• Sistemas eólicos aislados ("en isla"), con o sin energía auxiliar ("híbridos")
• Sistemas eólicos interconectados con la red eléctrica. El proceso se realiza mediante un controlador electrónico.

1.1.9 Velocidad Específica (λ)

• Un parámetro usado para diferenciar los tipos de turbinas eólicas, relaciona la velocidad lineal en el extremo de la pala con la velocidad nominal del viento.

2. Aspectos generales, costes y panorama

• Un 2% de la energía solar que llega a la Tierra se convierte en energía eólica, debido a las variaciones de presión en la atmósfera (viento).
• Ventajas: Inagotable, limpia, no contaminante y gratuita.
• Inconvenientes: Dispersa, intermitente, irregular intensidad, y está asociada con problemas de vibraciones, corrosión, erosión, etc.; y efecto sobre lugares donde se desarrollan las actividades, con dificultad de encontrar zonas adecuadas, considerándore los impactos medioambientales negativos como el ruido, el impacto paisajístico, que ocupa extensos terrenos, etc.
• Actualmente, la energía eólica juega un rol importante.

2.1 Costes de la Energía Eólica

• El coste de cada kW/h obtenido viene determinado por los costes de instalación (CAPEX, como obra civil, sistema eléctrico, ingeniería y dirección) y los costes de operación y mantenimiento (OPEX, como alquiler de terrenos, operación y mantenimiento, gestión y administración, y seguros e impuestos). Los costes de la energía producida dependen de la velocidad media del viento.

2.2 Panorama actual Nacional

• Datos de la Capacidad y Potencia de la generación de energía eólica en España, incluyendo datos de producción eólica y empleo en el sector, con información internacional comparable y datos de inversión I+D.
• Importancia de la inversión en I+D, en el desarrollo de la tecnología y la cantidad de personas que trabajan en este campo.

3. El viento en superficie

• El viento varía en velocidad y dirección cerca de la superficie terrestre debido al relieve del terreno (rugosidad, cizalladura) y otros factores (turbulencias, obstáculos como edificios o árboles, efecto estela por otras turbinas, efecto túnel, efecto colina).
• Tipos específicos como las brisas marinas (producidas por el calentamiento diferencial entre la tierra y el mar) y los vientos de montaña (producidos por los contrastes térmicos entre los valles y las montañas).

3.1 Escala de Beaufort

• Es una medida histórica de la velocidad del viento, según los efectos en tierra y mar, proporcionando una escala de 13 niveles, con velocidad estimada en nudos (1nudo = 1,852 km/h).

3.2 Comportamiento del viento (detalle)

• Rugosidad y cizallamiento: el terreno influye en la velocidad y dirección del viento.
• Variabilidad con la altitud: la velocidad del viento varía con la altura.
• Turbulencias: El flujo de viento puede ser irregular y presentar cambios rápidos.
• Obstáculos: presencia de edificios y otros obstáculos reducen la velocidad del viento.
• Efecto estela: el viento detrás de turbinas o estructuras.
• Efecto parque: conjunto de turbinas en un área crea zonas con turbulencias y reducción de velocidad.
• Efecto túnel y colina: el viento se acelera al pasar por estrechos o las colinas.

###4. Medición y Tratamiento de Datos Eólicos

• Para analizar la viabilidad de un emplazamiento eólico, es fundamental conocer la velocidad y dirección del viento.
• La velocidad del viento se mide en unidades como m/s, km/h o nudos, y se utilizan métodos como el enfriamiento de un hilo caliente, sensores ultrasónicos o Doppler.
• La dirección del viento se mide con veletas y se indican con grados, mostrando orientaciones y variabilidad.

4.1 Elementos de medida (Anemómetros)

• Los anemómetros son instrumentos que miden la velocidad del viento.
• Suelen registrar los datos cada un intervalo de tiempo (10 minutos).
• Existen distintos tipos: mecánicos (rotación o alada), por diferencia de presión(tubo de Pitot), ultrasónico y Doppler.

###4.1 Elementos de medida (Veletas)

• Las veletas son instrumentos que miden la dirección del viento.
• Funcionan con un dispositivo que gira para capturar y expresar su dirección en grados.
• Se emplean junto a anemómetros para un mayor registro.

4.2 Tratamiento Estadístico del Viento

• Se utiliza el análisis estadístico de los datos del viento.
• Se calculan promedios, variabilidad, valores máximos y mínimos, durante intervalos de tiempo (generalmente de 10 minutos o una hora).
• Se utilizan histogramas y diagramas de roseta de los vientos para representar los datos, ofreciendo un panorama de la frecuencia de las velocidades y direcciones del viento a lo largo del tiempo.

4.3 Medidas estadísticas

• Se define la frecuencia relativa para cada velocidad del viento.
• Se calcula la media aritmética (promedio).
• Se determina la mediana (valor medio).
• Se identifica la moda (frecuencia más alta).
• Se calcula la desviación estándar (dispersión de datos). Se determina el rango o intervalo (diferencia entre el valor máximo y mínimo).
• La distribución de Weibull se utiliza para modelar la distribución de las velocidades del viento.

4.4 Método de cálculo de un Histograma

• Se organiza los datos en clases o categorías, calculando las frecuencias de cada clase.
• Se construye una tabla que relaciona cada clase con su frecuencia relativa y frecuencia acumulada (menor o igual que), así como la frecuencia acumulada (mayor que).
• Se generan representaciones gráficas como histogramas e indicadores de la intensidad y dirección para determinar las tendencias y patrones del viento.

5. Principios físicos de la conversión de potencia

• Resistencia: El rotor captura la energía del viento por medio de la resistencia ejercida a su paso.
• Empuje aerodinámico: El viento genera una fuerza aerodinámica sobre las palas del rotor, resultando en un impulso del rotor.
• Densidad del aire: La energía del viento está relacionada con la densidad del aire, teniendo mayor rendimiento con un aire mas denso, generalmente a mayor altitud.
• Dimensiones del rotor: El área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor.
• Velocidad del viento: La eficiencia de la energía se relacionan directamente con la velocidad del viento, mayor velocidad se produce mayor conversión.

5.1 Energía disponible

• Densidad del aire: es una medida fundamental para cuantificar la energía del viento.
• Área del rotor: determina la superficie de captación de la energía del viento.
• Velocidad del viento: una variable fundamental en la transferencia de energía al rotor.

5.2 Ley de Betz

• Los aerogeneradores tienen un límite máximo de la capacidad de conversión posible (59,3% de la energía cinética del viento, no puede capturar toda la energía).
• Establece un coeficiente de potencia (Cp) para relacionar la velocidad del viento y la potencia. La ley limita las ganancias de eficiencia en los sistemas de captación de energía eólica.

5.3 Función densidad de Potencia

• Es la representación gráfica para mostrar la distribución de energía eólica a diferentes velocidades del viento.
• La función se calcula multiplicando las potencia de cada velocidad con la probabilidad.

5.4 Curva de potencia de la máquina

• Representa la relación entre la velocidad del viento y la potencia eléctrica generada por una turbina eólica.

5.5 Ejercicios sobre la conversión de potencia (detalle)

• Son ejercicios prácticos que requieren aplicar los conceptos teóricos de la conversión de potencia en un sistema eólico. Implica el cálculo de la potencia y potencia reactiva. Se calculan coeficientes de captura.

6. Control de potencia

• Contienen elementos mecánicos que operan para regular las velocidades del rotor, disminuyendo cuando la velocidad del viento alcanza un nivel excesivamente alto.
• Regulaciones mecánicas que supervisan la velocidad del rotor para evitar daños por sobrecarga, considerando que las variaciones en la velocidad del viento son constantes.
• Existen 3 métodos para lograr el control de potencia mecánico: "pitch controlled" (ajustando el ángulo de las palas, "stall controlled (regulación pasiva por perdida aerodinámica) y "active stall control" (regulación activa por pérdida aerodinámica).

6.1 Control de potencia (Pitch Control)

• Implica el ajuste y cambio del ángulo de las palas para regular la potencia y capacidad de la turbina eólica.
• El mecanismo de ajuste del ángulo de paso suele funcionar mediante un sistema hidráulico.

6.2 Control de potencia (Stall Control)

• Se basa en la modificación de las características aerodinámicas de las palas para regular la potencia del rotor.
• No tiene piezas móviles.

6.3 Control de potencia (Active Stall Control)

• Similar al "stall control", pero con modificaciones activas en el ángulo de las palas para controlar la potencia, aún con mayores velocidades del viento.

6.4 Control de potencia eléctrica

• Se establece un esquema para distintos procesos.
• Compone cada etapa con procesos como transmisión, multiplicadora, generador, rotor, estator y conexión con la red.
• Existen varios tipos de configuración para controlar procesos de la generación como sincronismo y uso de los equipos adecuados.

6.4.1 Generador de inducción de jaula de ardilla

• El proceso de transmisión del generador se realiza a través de una caja multiplicadora.
• El sistema requiere potencia reactiva, que puede obtenerse de redes eléctricas о baterías de condensadores.
• Para evitar grandes corrientes de arranque, se utiliza un sistema de arranque suave (soft-starter).

6.4.2 Generador de inducción de rotor bobinado

• Permite la captura de más energía del viento, mejor control de la potencia y un control de la frecuencia.

6.4.3 Generador de inducción doblemente alimentado

• Los convertidores de frecuencia permiten una variación de la velocidad de giro, entre ± 30%, ajustando la potencia aplicada mediante la modificación de la tensión y la frecuencia.

6.4.4 Generador síncrono con excitación convencional

• Se utilizan en rotores eólicos para que la velocidad sea variable con control activo a través del ajuste del ángulo de las palas.
• El equipo se conecta de forma directa al eje del rotor o a través de una caja multiplicadora.

6.4.5 Generador síncrono de imanes permanentes

• La máquina opera a velocidad variable, y el control se logra mediante la modificación de la frecuencia a través del convertidor.
• Ventajas notables como un mantenimiento reducido y menores pérdidas, gracias a la ausencia de un circuito de excitación convencional.

6.4.6 Comparativa de los sistemas de generación eléctrica

• Se muestra una tabla con una comparación de los distintos sistemas.

7. Impacto Ambiental

• Impacto visual: se considera desde perspectivas.
• Efectos meteorológicos: el efecto en el microclima es mínimo.
• Efectos sobre flora y fauna: el resultado demuestra la baja probabilidad de colisión con aves.
• Ruido: puede ser significativo a distancias cortas, pero su impacto disminuye a mayor distancia.
• Interferencias en comunicaciones: pueden existir, pero rara vez causa problemas notables.
• Consumo de energía: la propia instalación es considerable.
• Seguridad y uso del terreno: el impacto y el uso del territorio.
• Protección contra rayo: Los aerogeneradores de gran tamaño actúan como pararrayos, mitigando una posible ruptura de una pala generando posibles problemas de tipo ambiental.
• Erosión: La planificación adecuada de acceso y medidas correctoras puede reducir el impacto.

8. Criterios y diseño de instalaciones de eólica

• Ubicación de la planta en función de patrones climáticos, geográficos, y recursos.
• Impacto ambiental: se evalúan las afectaciones al microclima, a la flora y flora y se determina la adecuación de las regulaciones vigentes.
• Selección de la turbina en función de su tamaño, capacidad y altura.
• Recursos tecnológicos para la conexión a la red: consideraciones sobre el diseño y mantenimiento.
• Aspectos sobre mantenimiento y operación de la planta: evaluaciones y seguimiento de sistemas.

5. Conexionado HVDC

• Monopolar: un único conductor con retorno a tierra. Se utiliza una tensión de corriente continua de forma positiva para reducir posibles riesgos ambientales como la corona eléctrica, y también se usa para disminuir la interferencia ambiental y evitar el desperdicio de energía. Permite conexiones para distancias medias y pequeñas.
• Bipolar: dos conductores de polaridad opuesta con un posible retorno a tierra. Tiene mayor eficiencia y capacidad de transmitir mayor potencia a largas distancias, requiriendo poco espacio terrestre, pero elevando el costo de las instalaciones.
• Back-to-back: los dos extremos del sistema de corriente continua se concentran en una misma estación, lo que reduce costos. Esto es ideal para interconectar sistemas AC con distintas frecuencias, evitando tener que corregir la frecuencia.

5.1 Conexión Monopolar

• Se describe el proceso de conexión, incluyendo los esquemas utilizados para establecer un enlace de transmisión.
• Se mencionan los casos donde es más conveniente este tipo de conexión, particularmente en distancias largas.

5.2 Conexión Back-to-Back

• Se describe el proceso de conexión, incluyendo los esquemas utilizados para establecer un enlace de transmisión.
• Se mencionan los casos donde es más conveniente este tipo de conexión, particularmente en conexiones con bajo costo inicial y alta fiabilidad.

5.3 Conexión Bipolar

• Se describen los esquemas de conexión para este tipo de sistemas.
• Se destacan las ventajas en la transmisión a largas distancias y la capacidad para manejar altas potencias.

5.3.1 Bipolar con camino de retorno a tierra.

• Se describen los esquemas utilizados para conectar este tipo de sistemas, incluyendo los diagramas de las conexiones.

5.3.2 Bipolar con camino de retorno metálico

• Se describen los esquemas utilizados para conectar este tipo de sistema, incluyendo los diagramas que representan el proceso.
• Se enfatizan las propiedades que hacen lo conveniente.

5.3.3 Bipolar sin retorno metálico

• Se describen las características y beneficios de este diseño que no requiere un cable metálico para el retorno de corriente.

5.4 Operación del convertidor (Rectificador)

• Se describen las ecuaciones para analizar la operación ideal.
• Se ilustran esquemas gráficos para explicar los procesos que ocurren en el convertidor y su comportamiento.
• Se explica el ángulo en cada paso.

5.4.2 Operación del convertidor (Inversor)

• Presenta un análisis conceptual con los diagramas y explicaciones detalladas de la operación.
• Incluye la descripción de los ángulos de disparo, extinción, y la sobreposición.

5.4.3 Control en un Conexión Monopolar

• Implica un análisis para entender cómo las condiciones de funcionamiento pueden afectar o mejorar el sistema.
• Incluye fórmulas y variables clave para realizar el cálculo.

5.4.4 Ejercicios de aplicación

• Se describen ejercicios prácticos que aplican los conceptos aprendidos, con su resolución correspondiente.

6. Diseño y mantenimiento de los HVDC

• Consideraciones económicas, incluyendo la potencia a transmitir, la longitud de la instalación, los niveles de tensión y posibles sobrecargas.
• Considerar los aspectos medioambientales y las normas locales.
• La operación y el mantenimiento remoto, centrado en componentes críticos, como filtros, válvulas, y sistemas de refrigeración.
• Situaciones en las que estos sistemas son eficaces: transmisión de grandes potencias, interconexión de sistemas AC diferentes y cambio de flujo de potencia.

6.1 Pérdidas en los sistemas HVDC

• Describir la dependencia de las pérdidas de la carga, incluyendo las consideraciones por componente de la conversión.

7. Ejemplos de instalaciones HVDC.

• Descripciones detalladas de casos de estudio (Itaipú, Leyte-Luzón, Rihand-Delhi y Gotland).

7.1 Itaipú (Brasil)

• Se describe el caso de Itaipú, destacando los aspectos técnicos y los beneficios de este sistema HVDC.

7.2 Leyte-Luzón (Filipinas)

• Se describe el caso de la interconexión entre Leyte y Luzón, en Filipinas, para demostrar la utilidad de los sistemas HVDC.

7.3 Rihand-Delhi (India)

• Descripción del caso de Rihand-Delhi, incluyendo aspectos clave como la distancia, los tipos y la potencia.

7.4 Gotland (Suecia)

• Detalles de la particularidad de la instalación de Gotland en Suecia, incluyendo la forma en que es una conexión única.

7.5 Queensland (Australia)

• Detalles sobre la interconexión Queensland (Australia).
• Se incluyen el diagrama esquemático de la transmisión.

7.6 Parque eólico BorWin 1

• Descripción del parque eólico BorWin 1 en Alemania.

7.7 Interconexión España - Francia

• Descripción de la interconexión España-Francia.
• Detalles sobre el diseño del sistema, aspectos técnicos y consideraciones relacionadas.

8. Criterios y diseño de instalaciones de eólica.

• Selección de la turbina de viento en función del tipo, tamaño, potencia nominal y altura de la torre.
• Cálculo de la eficiencia y producción de energía generada.
• Factores de carga que afectan la producción.
• Recursos tecnológicos para conexiones a la red .
• Mantenimiento y operación del sistema.

9. Comunicaciones con SAE

• Se describen las características de los sistemas de comunicación para interconexiones con dispositivos de las subestaciones, para los sistemas de almacenamiento de energía. Se utilizan los estándares de comunicación IEC 61850.

3. Aplicaciones de los Sistemas de Almacenamiento

• Balances de carga: Se mencionan los sistemas (TEES, NaS) utilizados para adaptar los patrones de uso de energía a los cambios.
• Arbitraje de energía: Los sistemas se usan para aprovechar los precios bajos de energía y venderla en momentos de alta demanda.
• Regulación de frecuencia: Se realiza un análisis y descripción de cómo los SAE ayudan a lograr que la frecuencia de la red sea estable.
• Reserva primaria, reserva secundaria, y reserva terciaria.
• Power smoothing: Se ilustran las variaciones en la generación y el posterior suavizado de la potencia utilizando diferentes métodos de smoothing.

4. Dimensionamiento

• Análisis de carga y consumo: Estudio de los patrones de consumo de energía, tanto diarios como estacionales.
• Selección de tecnologías: Se mencionan las tecnologías disponibles (baterías, condensadores, pilas de combustible, y sistemas híbridos).
• Estimación de la capacidad: Se hace un análisis de la cantidad de energía necesaria y la capacidad de almacenamiento total requeridas.
• Modelado y simulación: Se utiliza la simulación para realizar diferentes ensayos, para realizar diferentes escenarios.
• Análisis económico: Se mencionan los costos de instalación, mantenimiento, y operación, con los beneficios que ofrece el sistema.

Pon a prueba tus conocimientos sobre la integración de la energía eólica en la red eléctrica y los diferentes tipos de turbinas eólicas. Este cuestionario cubre aspectos clave, como la energía eólica marina y los beneficios de los aerogeneradores de velocidad variable. Descubre cuán bien comprendes este campo en crecimiento.