Aerogenerador Sin Caja Mult

7/24/2019 Aerogenerador Sin Caja Mult

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TECNOLOGIA

Asociacin Empresar ial [email protected]

Tech4CDM

Taller sobre Energa Elica - 2009


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INDICE1.LA ENERGIA EOLICA UNA FORMA DE GENERACION SITUACIN A ACTUAL POTENCIA INSTALADA A NIVEL MUNDIAL2.LA TECNOLOGIA DE APROVECHAMIENTO DEL VIENTO EL RECURSO ELICO CARACTERIZACIN DE LOS VALORES MEDIOS DE VIENTO DISTRIBUCIN DEL VIENTO CON LA ALTURA

VALORES EXTREMOS DEL VIENTO ESTIMACIN DEL RECURSO ELICO CRITERIOS DE INSTALACIN DE UN PARQUE ELICO Y LOCALIZACIN DE

AEROGENERADORES3. LA ENERGA PRODUCIDA POR UN AEROGENERADOR POTENCIA AERODINMICA EXTRADA POR EL ROTOR RENDIMIENTO DE CAPTACIN ENERGTICO Cp - LMITE DE LANCHESTER - BETZ

FUNCIONAMIENTO DEL AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL EL COMPORTAMIENTO DEL AEROGENERADOR CONTROL DE POTENCIA DEL AEROGENERADOR CURVA DE POTENCIA Y CONTROL DE POTENCIA DEL AEROGENERADOR4. CALCULO ENERGTICO SELECCIN DEL AEROGENERADOR

5.- TIPOLOGIAS DE AEROGENERADORES IMPORTANCIA DE LA VARIACION DE VELOCIDAD DE GIRO Y DE PASO SISTEMAS ELCTRICOS DE LOS AEROGENERADORES SIN VARIACIN DE VELOCIDAD TIPOS DE GENERADORES SISTEMAS ELCTRICOS DE LOS AEROGENERADORES SIN VARIACIN DE VELOCIDAD SISTEMAS ELCTRICOS DE LOS AEROGENERADORES VARIACIN DE VELOCIDAD

LIMITADA

SISTEMAS ELCTRICOS DE LOS AEROGENERADORES CON VARIACIN DE VELOCIDAD

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1.LA ENERGIA EOLICA UNA FORMA DEGENERACION


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LA ENERGA ELICA EN EL MUNDO. SITUACIN ACTUAL

Potencia acumulada a nivel mundial y tasa de variacin. 1995-2008

La potencia elica instalada a nivel mundial alcanz los 120.798 MW a finales

del ao 2008, segn el informe publicado por Global Wind Energy Council(GWEC), lo que supuso una tasa de crecimiento del 29%, incrementoligeramente superior al del ao 2007 que se situ en un 27%.

4800 6100 7600

1020013600

17400

23900

31100

39341

47620

59091

74288

93835

120798

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

MW

Potenciainstalada acumulada (MW)

Tasa

de

variacin

Fuente:GWECyAEE

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LA ENERGA ELICA EN EL MUNDO. POTENCIA INSTALADA

Potencia instalada anual. 1996-2008

De los 27.051 MW instalados en el ao 2008 a escala mundial, el 87,8% de esta potenciaha sido emplazado en 10 pases, en el siguiente orden de mayor a menor potencia:

Estados Unidos (8.358 MW), China (6.300 MW), India (1.800 MW), Alemania (1.665

MW), Espaa (1.609 MW), Italia (1.010 MW), Francia (950 MW), Reino Unido (836

MW), Portugal (712 MW) y Canad (526 MW).

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

MW Potenciainstalada anualmente

Fuente:GWECyAEE

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LA ENERGA ELICA EN EL MUNDO. REPARTO POR REGIONES DE LA

POTENCIA ELICA INSTALADA ACUMULADA

En cuanto a la potencia elica instalada por regiones, aunque Europa ha pasado asegundo lugar en el liderazgo mundial en el ao 2008, contina siendo el mercado

ms importante con 65.971 MW instalados.. En Norte Amrica, Estados Unidos ha superado todos los records en cuanto a

potencia elica instalada se refiere, con aproximadamente 8.358 MW instalados en2008, superando por tanto los 25.000 MW acumulados a finales de dicho ao.

China ha doblado su potencia elica instalada por cuarto aoconsecutivo, incrementando su potencia en 6,3 GW, alcanzando un total de 12,2 GWinstalados a finales del ao 2008, ocupando as el liderazgo en la regin de Asia.

En Amrica Latina, Brasil ha sido el pas que ms ha incrementado su parque elicode generacin, con 295 MW nuevos. En el extremo opuesto se encuentra Argentina

que tan slo ha instalado 2 MW, segn los datos publicados por GWEC. En frica y Este Medio se han instalado 130 MW nuevos, de los cuales 55 MW se

ubican en Egipto y 34 MW en Tnez.

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POTENCIA INSTALADA PARA LOS AOS 2007 y 2008 COMPUTO MUNDIAL

Installed Accu. Installed Accu. % of installed

MW MW MW MW MW

2007 2007 2008 2008 2008Total Americas 5,815 19,391 9,527 28,918 33.8%

Total Europe 8,285 56,824 9,179 65,971 32.6%

Total South & East Asia 5,010 13,973 8,201 22,174 29.1%

Total OECD-Pacific 597 3,220 1,056 4,272 3.7%

Total Africa 83 469 228 696 0.8%Total other continents and

areas: 3 127 0.0 127 0.0%

Annual MW installed

capacity 19,791 28,190

Cumulative MW installed

in the world 94,005 122,158

Source: BTM Consult ApS - March 2009

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POTENCIA INSTALADA PARA LOS AOS 2007 y 2008 COMPUTO MUNDIAL CONTINENTE AMERICANO

Installed Accu. Installed Accu.

MW MW MW MW

2007 2007 2008 2008

Argentina 0 31 2.0 33

Brazil 161 392 295.0 687

Canada 386 1,845 526 2,371

Costa Rica 0 79 25 104Mexico 0 86 246 332

USA 5,244 16,879 8,358 25,237

Other Americas 23 79 75 153

Total Americas 5,815 19,391 9,527 28,918Source: BTM Consult ApS - March 2009

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LA ENERGA ELICA UNA FORMA DE

GENERACIN ELCTRICA

Utiliza los recursos autctonos.

Permite la creacin de empleo local.

Mejora el impacto sobre el medioambiente.

Con una incidencia muy baja en la operacin del sistema.

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LA ENERGA ELICA EN LA GENERACION ELCTRICA: EUROPA

83.674

55.245

2.921 1.907 1.183

6.251

11.21913.021

20.000

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

Gas Elica Hidrulica Biomasa Otras* Nuclear Carbn FuelOil

MW

Fuente:EWEAandPlattsPowerVision

8.484

6.932

2.495

762473

296 149 60

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

Elica Gas FuelOil Carbn Hidrulica Biomasa Otras* Nuclear

MW

Fuente:EWEAandPlattsPowerVision

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2.LA TECNOLOGIA DE APROVECHAMIENTODEL VIENTO


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EL RECURSO ELICO

INTRODUCCIN:El recurso elico es simplemente la energa del viento, tambin llamada energaelica, que es una fuente alternativa renovable.

Hablar del recurso elico en un determinado emplazamiento, se refiere a laenerga elica o al potencial elico que hay disponible en ese determinado lugar.Si hablamos de viento, lo primero que podemos definir sencillamente es que elViento es el aire en movimiento. Y cuando la masa de aire se pone enmovimiento, adquiere una determinada energa cintica de traslacin, y esprecisamente esta energa la que hemos aprovechado con mayor o menor eficacia.Aunque la definicin de viento es muy sencilla la caracterizacin analtica delviento no es simple en realidad, dado que la corriente general de aire que sedesplaza a lo largo y ancho de la corteza terrestre no es uniforme en todo sucampo.La distribucin vertical del viento en altura o a lo ancho de la corriente, fenmenos

de rafagosiad y de turbulencia en el seno de la propia corriente, hacen que elestudio del viento, como recurso aprovechable, sea muy complejo en si mismo.


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EL RECURSO ELICOMecanismo bsico de formacin del viento:

En zonas de mayor calor, el aire al calentarse disminuye su densidad y se eleva la masade dicho aire. Al ascender dicha masa y alejarse del suelo, tendera a dejar un hueco, noquedando ms remedio que se hueco sea rpidamente rellenado por el aire ms fro

proveniente del rea circundante a la zona caliente. Si a escala planetaria tuvisemos solo dos zonas bien diferenciadas, debido a que el ejede giro fuese perpendicular al plano de la elptica y la tierra tuviese una rotacin de unavuelta por ao, una correspondera a la zona caliente sobre el ecuador y la otra a una frasobre cada uno de los polos, definindose solo dos celdas de circulacin.

Pero en realidad como la tierra va ms de prisa, dando 365 vueltas sobre si misma a lolargo del ao y el eje de giro no es perpendicular, como lo sabemos todos, debemosconsiderar segn el principio de DAlembert a las fuerzas de inercia, fundamentalmente laCentrfuga y la de Coriolis, haciendo que el movimiento de las masas de aire sea mscomplejo.

Adems de lo anteriormente expuesto, tenemos tambin que el aire es un gas quetermodinmicamente su densidad depende de la presin y de la temperatura, con uncontenido determinado de humedad, no siendo esta ltima constante en todo el planeta.Por otro lado la capacidad calorfica de los ocanos y de los continentes es diferente.Sumado a que las condiciones de contorno son distintas a nivel de suelo que en altura, alo que tambin se aade la rugosidad propia del terreno, vemos que finalmente el Vientoes un movimiento de masas de aire terriblemente complejo y difcil de describiranalticamente de una forma precisa.


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EL RECURSO ELICO Mecanismo de formacin del viento: LA CIRCULACIN GENERAL DE LA ATMSFERA

Mecanismo de formacin de celdas de recirculacin a escala planetaria debido a larotacin de la Tierra sobre si misma (Efecto Coriolis).

Alisios del SE

Alisios del NE

Corrientes de chorro

Vientos polaresdel Este

Vientos del Oeste

Posicin principalde corrientes de

chorro subtropicales

Vientos del OesteVientos polares

del Este

Posicin principal de corrientesde chorro polares


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EL RECURSO ELICO

Mecanismo de formacin del viento

Desigual calentamiento de la tierra

Fuerzas debidas al giro de la tierra

Centrfugas

Coriolis


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EL RECURSO ELICO


Variacin del viento en la macro-escala.

Equilibrio entre las fuerzas de presin y de Coriolis


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MAPA EOLICO GLOBAL DEL PERU

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EL RECURSO ELICO: VIENTOS LOCALES


Variacin del viento en la meso-escala

Brisas nocturnas y diurnas

Desigual calentamiento por radiacin de la tierra y del mar

Aire fro pesado que se desliza por las laderas de las montaas

Aire caliente que sube de los valles

Asociado a grandes cordilleras


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EL RECURSO ELICO


Variacin del viento en la microescala

Pequeos obstculos, cerros, colinas Estelas de aeroturbinas u otros obstculos

Variacin del viento en la escala de la turbulencia


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CARACTERIZACIN DE LOS VALORES MEDIOS DE VIENTO

El viento sufre variaciones temporales, por lo que conviene clasificarlas en dos grandesgrupos: Variaciones, anuales, estacionales, diarias, etc y Turbulencia.

ESPECTO DE LA VARIACIN DEL VIENTO

Hay que distinguir entre lo que son oscilaciones de largoplazo, diarias, mensuales, estaciones, etc, y lo que es turbulencia. Debemos porconsiguiente buscar el perodo ms apropiado para hacer la media.

En margen de frecuencias entre 0,5 y 5 ciclos por hora (Ventana Espectral)correspondiente a perodos entre 10 minutos y dos horas, la variacin del contenidoenergtico del viento es muy pequeo.

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Ejemplo de la medida del viento en un anemmetro y como se sacan las medidas cadadiez minutos. Distincin entre turbulencia y variacin media del viento.

Se piensa que en el margen marcado por la venta espectral se puede elegir el perodo Tpara hacer la media. Se suele elegir T=10 minutos. De esta forma se separan lasvariaciones diurnas o estacionales de lo que es propiamente turbulencia. Las oscilacionesturbulentas son con frecuencias mayores que 0,1 ciclos por minuto. Las frecuenciaspropias de las estructuras elicas, as como los tiempos tpicos de respuesta de los

diversos sistemas elctricos y de control son con frecuencias mayores que 0,1 ciclos porminuto, y deben estudiarse estadsticamente, a partir de las caractersticas de laturbulencia.

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Para poder predecir la variacin de la velocidad media del viento durante un largo perodode tiempo se suele utilizar la funcin de distribucin acumulada o curva de duracin delviento, que expresa la probabilidad de que la velocidad V exceda un valor lmite, V0durante el perodo considerado.

Cuando dicha probabilidad se multiplica por 8.760 tendramos el nmero de horas del aoen que esperamos en que se exceda dicha velocidad:

Distribucin de Weibull

Contiene dos parmetros para ajustar a los datos reales: c y k . El parmetro c estrelacionado con la velocidad media.

Caso Particular; K=2, Distribucin de Rayleigh:

En la norma IEC 61400 distribucin de Rayleigh, con Vave = 0,2 Vref

k

r CVVVPVF )/(exp)()( 000 =


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Representacin grfica de la Curva de Weibull

Durante un nmero de horas del ao

hay una velocidad mayor que la indicada

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2v(m/s)

curva distribucnfrecuencias y funcinweibull


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Si se aplicase la distribucin de Rayleigh en un lugar donde:

La probabilidad de que se excediese una velocidad de 12 m/s sera:

Se excedera durante:

8760x0,33=2827 horas al ao

smV /10=

33,0/102

/12exp)/12Pr(

2

=

=

smx

smsmV


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ROSA DE LOS VIENTOS

La informacin anterior se refiere a la distribucin de la velocidad del aire. Sin embargo,como se ver posteriormente, para la estimacin del recurso elico es necesario conocertambin la direccin del viento. La informacin simultnea sobre la direccin del viento y

su intensidad se suele dar mediante la rosa de los vientos, bien en forma grfica o enforma tabular.


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ROSA DE LOS VIENTOS EN FORMA TUBULAR


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DISTRIBUCIN DEL VIENTO CON LA ALTURA

Distribucin del Viento con la altura

En particular y debido a la condicin de contorno que impone la velocidad nula justoen el suelo, siempre se desarrolla un perfil vertical de velocidades (cortadura vertical)

que en realidad no obedece a una ley determinada, ya que la turbulencia y larafagonsidad se suman y lo modifican.

El viento vara con la altura, y esto influye de forma importante en:Produccin de energa. A mayor altura mayor produccin y tambin mayor coste. Esnecesario optimizar el sistema.

La pala al girar se encuentra con viento ms variable.

Por lo tanto se producen cargas variables que afectan a los esfuerzos variables delrotor.


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Variacin del viento con la altura. Capa lmite terrestre

El viento por encima de una cierta altura est sujeto a un equilibrio entre las fuerzas depresin y las de Coriolis. Sin embargo, a medida que nos vamos acercando al suelo el

viento es frenado por efecto del rozamiento con el mismo. Este proceso de frenado ocurreen la capa lmite terrestre.


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Variacin del viento con la altura. Capa superficial

Factores que intervienen:

- La orografa - La rugosidad del terreno

- Estabilidad atmosfrica

Para atmsfera neutra y terreno llano:

=

0

ln*5,2

z

zuV

Donde:

- z es la distancia al suelo

- z0 es la rugosidad del terreno

=( rugosidad de Nikuradse en diagrama de Moody)/30

- u* es la velocidad de friccin turbulenta que es proporcional a la desviacin tpicade las oscilaciones turbulentas alrededor del valor medio (10 minutos)


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Variacin del viento con la altura. Capa superficial. Frmula alternativa

Otra forma alternativa de expresar la variacin del viento con la altura:

Donde H es una altura de referencia y es un exponente que se puede relacionar con la

rugosidad a travs de la ecuacin:

( )( )

=H

z

HV

zV

=

m

z

25,15ln

1

0


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Variacin del viento con la altura. Capa superficial. Frmula alternativa

- El exponente a vara con la hora del da, la estacin, el tipo de terreno, la velocidad del

viento y la estabilidad atmosfrica. Por las noches con fuerte estabilidad y cortadura puedellegar a valer 0,5 y por el da bajar hasta 0,1.

- Lo mejor es, si se conoce la distribucin del viento con la altura, calcular a de forma quelas medidas aproximen lo mejor posible la frmula anterior.

- Si se quiere predecir su valor se pueden usar la correlacin anterior.

- En general aumenta con la rugosidad del terreno y disminuye con la velocidad y con elgrado de estabilidad atmosfrica

- La norma IEC define para los clculos de seguridad un perfil normalizado de velocidad(Normal wind profile model, NWP), e indica que las aeroturbinas deben estar calculadas

con el exponente =0,2.


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Variacin del viento con la altura. Estabilidad atmosfrica

Cuando la atmsfera es estable la cortadura o variacin del viento con la altura es msintensa. Las medidas representadas en la figura dan la diferencia de velocidad entre dos

puntos a distintas alturas dividida por la velocidad a una altura intermedia. Se puede vercomo durante la noche esa diferencia es muy grande y durante el da disminuyeconsiderablemente


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Variacin del viento con la altura. Capa de Eckman

El viento geostrfico, por encima de la capa lmite no tiene la misma direccin que en elsuelo. Hay un cambio de direccin a travs de la capa lmite terrestre

Vientogeostrfico

enatmsfera

libre

Viento enel suelo

ngulo degiro


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Variacin del viento con la altura. Viento geostrfico.

La componente del viento geostrfico paralela a la que hay en el suelo viene dada deforma aproximada por la ecuacin:

A es una constante que vara entre 4 y 6, B vale alrededor de 12 para vientos fuertes, h es

el espesor de la capa lmite terrestre, que se puede estimar a partir de la ecuacin:

= A

z

huVxg

0

ln*5,2 *BuVyg =

f

u

bh

*

=

donde b es una constante que con vientos fuertesvale alrededor de 0,2, y f es el parmetro deCoriolis, definido por:

,,2),(2 latitudda

radsenf =

==

En Espaa, f vale aproximadamente1,2x10-4 rad/s


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Recursos a 50 metros sobre el suelo para 5 condiciones topogrficas:1) Terreno resguardado 2) llanuras abiertas, 3) Costa, 4) Mar5) Colinas y acantilados.

Aplicacin del trasvase de informacin deestaciones meteorolgicas, conjuntamente conclculos que luego se vern


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VALORES EXTREMOS DEL VIENTO

Adems de las descripciones anteriores del viento, basadas en valores medios y laoscilacin turbulenta del viento alrededor de ese valor medio, es tambin de intersconocer los valores extremos del viento que pueden ocurrir a largo plazo.

- Concretamente, se desea saber cul sera el viento medio mximo durante un ao.

- Obviamente, de las medidas de viento anuales se puede extraer esta informacin, y siesta medida se repite durante muchos aos se obtendra una estadstica de dichos valoresextremos.

- Dicha estadstica se podra obtener a partir de la distribucin de Weibull (u otra similar)

estimando el nmero de picos de velocidad que habra en un ao, sin embargo, losresultados no seran muy exactos y se prefiere usar la ley conocida como de Gumbel oFisher-Tippett, que dice:

( ) ( )

=

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