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7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
1/184
ESCUELA POLITCNICA NACIONAL.
FACULTAD
DE
INGENIERAELCTRICA.
CENTRALES EOLICAS DE ENERGA ELCTRICA
Tesis previaa laobtencindelTtulodeIngeniero
Elctrico
en laespecialidaddeSistemas Elctricosde
Potencia.
LENIN RODRIGO POMA JUMBO
Quito
Marzo
del2000
-
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2/184
CERTIFIC CIN
Certifico
que la
presente tesis
fue
des rroll d
en su
tot lid d
por el
or
Ing
Miltan
Rivadeneira
DIRECTOR DE TESIS
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
3/184
DEDIC TORI
A
mi
Amada Madre Hermanos
y
Amigos.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
4/184
GR DECIMIENTO
Mi
sincero agradecimiento
a
todo
el
personal docente de la ESCUELA
POLITCNICA NACIONAL
que a
travs
de sus
enseanzas
me
dieron
la oportunidad de servir de mejor
manera
al
pas.
Al Ing.
Milton
Rivadeneira
por sudireccinen este
trabajo al personal de la Direccin de
EnergasAlternativas y a mis amigos
por
su incondicional ayuda.
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TABLA DECONTENIDO
Pg
INTRODUCCIN
OBJETIVOS
Y
ALCANCE
IV
CAPITULOI
EVALUACINDELRECURSO ENERGTICO ELICO
EVALUACIN
DEL
RECURSO ENERGTICO ELICO
2
1 1 CARACTERIZACINDELPOTENCIAL ELICO 4
1 2 DISTRIBUCINDEWEIBULL 5
1 3
DISTRIBUCIN
DE
RAYLEIGH
8
1 4 POTENCIA TERICA MXIMA APROVECHABLE
9
1 5 CORRECCINDE LADENSIDAD 9
1 6 ANLISISTCNICO
11
1 6 1
Principios Tecnolgicos
de la
EnergaElica
11
1 6 2 Turbinasde EjeHorizontalVersusTurbinasde EjeVertical
14
1 6 3 Generadores
Elicosde Eje
Horizontal
16
1 6 3 1 Turbinas de
velocidad constante
acopladas a
generadoressincrnicos 19
1 6 3 2 Turbinas de velocidad casi constante acopladas a
generadores asincrnicos 22
1 6 3 3 Turbinaselicasde velocidad variable acopladas a
conversores para generar corriente alterna de
frecuencia constante 23
1 6 4 Principales componentes
24
-
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CAPITULOII
PL NIFIC CIN DE UN CENTR L ELIC
PLANIFICACIN
DE UNA
CENTRAL ELICA
34
2.1.
EXPLORACIN
Y
EVALUACIN
DEL
SITIO
PARA
APROVECHAMIENTO ELICO 36
2.1.1 Indicadores topogrficos
y
meteorolgicos
36
2.1.2 Deformacionesen lavegetacin 37
2.1.3 Incidenciade la forma del terreno en el viento 38
2.1.4
Prospeccin
del
sitio
43
2.1.5 Recoleccin yanlisisde datos 44
2.2. DEMANDA ENERGTICA 45
2.3.
CLCULO
DELA
POTENCIA TOTAL
A
INSTALARSE
50
2.4.
ENERGA
NETA 54
2.5. EVALUACINDE COSTOS 58
2.5.1
Costos
de
instalacin
58
2.5.2 Costos especficos
62
2.5.3 Costosde laenerga 63
2.6.
POLTICAS LEYES
E
IMPACTOS AMBIENTALES
66
2.6.1 PolticasyLeyes 66
2.6.2 Impactos ambientales 71
2.6.2.1. Ocupacin
y
alteracin
del
suelo
73
2.6.2.2.
Uso
indirecto
de
energa
y
emisiones
74
2.6.2.3.
Aves
76
2.6.2.4. Ruido
76
2.6.2.5.
Impacto visual 78
2.6.2.6. Interferencia en las telecomunicaciones 79
2.7.
INTERCONEXIN
CON LA RED
ELCTRICA
79
2.8.
VERIFICACIN
DEL
RENDIMIENTO
DE UNA
GRANJA ELICA
83
2.8.1. Causas de una produccin
deficitaria
de energa 83
2.8.2.
Metodologa
87
2.8.2.1. Medida de la curva de potencia de una sola turbina
mediante un mstil o torre meteorolgica 87
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
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2 8 2 2 Verificacin
de la
curva
de
potencia mediante
un
anemmetroen la
barquilla
de laturbina 89
2 8 2 3 Eficienciade lagranjaclica 90
2 8 2 4 Monitoreodel
rendimiento
de lagranja
elica
y
verificacin
de la
produccin
deenerga 93
2 8 3 Riesgoen laproduccin deenerga contra loscostosde
verificacin
delrendimiento 95
2 8 4 Manifestacinde laverificacindelrendimientoen los
contratos de venta 98
CAPITULO
III
CASO
DEAPLICACIN:
DISEODE LA
CENTRAL
ELICA
SALCEDO
DISEO DE LACENTRAL ELICA SALCEDO 102
3 1 DATOS DEL VIENTO 102
3 2 TIPO
DE
TERRENO
103
3 3
TIPO
DE
TURBINA
106
3 4 DISPOSICIN
DE LAS
TURBINAS
109
3 5 INTERCONEXIN
109
3 6 PRODUCCIN TOTAL
DE LA
GRANJA ELICA
114
3 7
COSTOS
DE LA
GRANJA ELICA
115
3 8
EVALUACIN
DE
ALTERNATIVAS
122
CAPITULO IV
PRINCIPALES CENTRALES ELICAS DEL MUNDO
PRINCIPALES CENTRALES ELICAS DEL MUNDO 126
4 1 CENTRAL ELICA TEJONA COSTA RICA
126
4 2
CENTRAL ELICALAKEBENTON
27
4 3
CENTRAL ELICA LAKE BENTONII 128
4 4 CENTRAL ELICAGIGSPRING 129
-
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4 5 CENTRAL
ELICA
STORM LAKE 131
4 6 CENTRALES ELICAS EN
CALIFORNIA
132
4 6 1
Tehachapi
Pass 132
4 6 2
AltamontPass 133
4 6 3
SanGorgonioPass
133
4 7 CENTRAL ELICA LAKOTARIDGE 134
4 8 CENTRALELICASHAOKATANHILLS 135
CAPITULOV
POSIBLES APLICACIONES
POSIBLES APLICACIONES
137
5 1
CARACTERSTICAS DE MEDICIN DEL RECURSO ELICO 137
5 2 SITIOS
CON
EXCELENTES CONDICIONES ELICAS
138
5 3 VALORACIN
DE LOS
SITIOS
142
CONCLUSIONESYRECOMENDACIONES
ANEXOS
BIBLIOGRAFA
-
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9/184
CENTRALES EOLICASDE ENERGA ELCTRICA
INTRODU IN
La energa elica ha sido empleada para transporte martimo y
para
aplicaciones agrcolas desde hace varios siglos.
Es un
recurso renovable,
viable,
eficiente,
no contamina el medio ambiente y representa una enorme
fuente de energa que est relativamente sin explotar. La
tecnologa actual de la
energa elica
se ha
desarrollado notablemente partiendo
de los
sencillos
molinos agrcolas del pasado, hasta los modernos
aerogeneradores.
Los
cambios climticos
a
escala mundial debido
al
efecto invernadero producto
de la
utilizacin
de
energticos fsiles, carbn, petrleo, gas, uranio;
es un
problema
de
desarrollo socioeconmico
que
concierne
a
toda
la
humanidad.
Por
esto, para satisfacer los objetivos ambientales y promocionar
fuentes de
energa limpias,se handesarrollado procesosdeinvestigacin
ydesarrollo pero
su utilizacin ha sido mnima. Dentro de estas energas se
encuentran: la
elica, solar, biomasa
e
hidroelctrica, debido
a sus
mnimos impactos
ambientalesse lasconoce como energas verdesorenovables
porquelamisma
naturaleza seencargadereponeroregenerar.
Es
de
suma importancia
la
conservacin
del
medio ambiente
que se ha
expresado a travs del protocolo de Kyoto en diciembre de 1997
por parte de
los pases industrializados y pases con economas en transicin.
Mediante este
protocolose acord
impulsar
eldesarrollode las
energas
renovables y
reducir
las emisiones de gases causantes del efecto invernadero para el
lapso entre los
aos 2008
-
2012
a
niveles
en
promedio
del
5.2 inferiores
a los
niveles
que
existan antes de
1990,(39)
las emisiones de dixido de carbono en 1990 eran
de21100millonesdetoneladasmtricas.51)
El5.2 corresponde
a
1097 millones
de
toneladas mtricas
de CO
2
, que
puede
ser
cubierto
en un 30 , es decir, 330 millones de toneladas a travs de
generacin elica,si secumplecon losobjetivosdeeste protocolo
hastael ao
2010; constituyndose este tipo
de
generacin elctrica
en la
alternativa
energtica ambiental
de
este siglo.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
10/184
CENTR LES
EOLICASDEENERGA ELCTRICA
Paraalcanzarlosobjetivos propuestoen
elprotocolodeKyotoseestablecieron
mecanismosflexiblespara ayudara lospasesacumplirconestos
acuerdos:
Sistemadecomerciodeem isiones.-porejemplosi unpas excede en
elcumplimiento delobjetivode reduccin deemisiones puede
vender
esteexcedentea unpasque nocumplaconeste objetivo.
impigmentacin
de
sociedades.-
mediante lacreacindeunidadesde
reduccin
de
emisiones derivada
de la
inversin entre pases.
Mecanismos para
un
desarrollo limpio.- esto permite
la
creacin
de
certificados de reduccin de emisiones a travs de la inversin
en
pases en
desarrollo.
Este ltimo mecanismo es de fundamental importancia porque
incentiva el
desarrollo de lasenergas renovablesaescala mundial con
laparticipacinde
cualquier pas a travs de la inversin internacional; se estima
que el flujo
potencial
de inversin que puede movilizarse en los prximos aos
mediante
proyectos de
cooperacin internacional hacia
los
pases
en
vas
de
desarrollo
es aproximadamente de USD 7500 millones
anuales.
39) Para lograr captar
recursos
provenientes
de
estos mecanismos
es necesario tener
leyes
y
polticas
claras para atraer la inversin internacional e incentivar el uso
de
fuentesalternasdeenergaennuestros pases.
Laenergaelica
es una de las
fuentes energticas
que a
escala mundial tiene
el mayor ndice decrecimiento. Se estima que para el ao 2010 en
la Unin
Europea se
instalarn
ms de
40000
MW
elicos
y en
Estados Unidos
se
espera instalar entre10000 y30000
MW.38)
En losltimos aos se hatenido un
crecimiento
superioral 30 anual. Estose
debe
a que las
mejoras tecnolgicas
en
esta rea
han
repercutido
en la
disminucin
deprecios,ademsde los significativos beneficios y
laaceptacin
que
ha tenido
este tipo
de
energa.
En el
mismo periodo
el
ndice
de
crecimiento
de la
energa nuclear
ha
sido menor
del 1 ,
mientras
que la
generacin mediantecarbnno ha
crecido
enabsolutoen la
dcada
de los 90.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
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CENTR LESEOLICASDEENERGA ELCTRICA III
Europa es el punto neurlgico de esta joven industria de elevado
contenido
tecnolgico;
el 90 de los
fabricantes
de
aerogeneradores
de
mediana
y
gran
potenciasonempresas europeas.
Los vientos demayor fuerza suelen darseen lugares remotos lo
que
dificulta
una
conexin
con los
sistemas
de
potencia interconectados pero esto
no es un
impedimento porquese puede construir granjas elicas para usos
especficos
comopuede ser: energa elctrica para sectores aislados
sistemas
de
bombeo
deagua sistemas deriego sistemasde desatrnizacin etc.
Una
dificultad
bsicaqueplantea laexplotacin de laenergadelvientoes su
extrema
variabilidad esta variacin como
se
observar
ms
adelante implica
que la
potencia
de una
turbina elica
sea
proporcional
al
cubo
de la
velocidad
delviento locual est porencima de los lmites de la toleranciade
cualquier
mquina. Dedondesedesprendeque lasuavidad o lapoca variabilidad
de la
velocidaddelviento desempee
un
papel fundamental
en
esta tecnologa.
En
ciertos lugareselviento cesa bruscamente lo queimpideque
lageneracin
elica
sea
continua
y
para asegurar mayor confiabilidad
en el
suministro
de
energa
es
necesario combinar
con
otras fuentes
de
energa
as
tenemos
los
sistemas hbridos tales como: sistemas elicos-electrgenos
elicos-
electrgenos-fotovoltaicos etc. Aplicables en lugares remotos
donde las redes
inerconectadasnolleguen.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
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CENTRALES
ELIC S DEENERGA ELCTRICA IV
OBJETIVOS
Especificar los procedimientos para disear y construir grandes
centrales de
energa elica
y
presentar
una
metodologa
para
re liz r
una
correcta
caracterizacin ymedicindelrecurso elico.
LC NCE
Se
establecen losprincipios fundamentales anlisis tcnicos tipos
elementos
caractersticas
de
operacin
y
funcionamiento
de las
turbinas
elicas.
Se realiza el diseo de una central elica tipo especificando los
aspectos
relacionados con la evaluacin y caracterizacin del recurso elico
para el
aprovechamiento energtico.
Seespecfica unacapacidaddegeneracin deacuerdoa ladistribucin de
la
velocidad delvientoen elsitio determinado para lainstalacin y se
establecen
lospreciosreferenciales paraunacentral elica.
Se hace referenciaa laspolticas leyes precios incentivospara
laintroduccin
deenergas renovablesno
convencionales
quetieneelpas.
Se
describen
las principales centrales elicas del mundo analizando las
caractersticas propias de cada proyecto con el fin de adaptar
ciertas
situaciones especficas.
Y finalmente
de
acuerdo
con la
informacin
de las
diferentes estaciones
meteorolgicasse dan aconocer posibles aplicacionesennuestro
pas.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
13/184
EVALUACIN DELRECURSO
ENERGTICOELICO
EVALUACIN
DEL
RECURSO
ENERGTICO
ELICO
2
1 1 CARACTERIZACIND EL
POTENCIAL
ELICO 4
1 2 DISTRIBUCINDE WEIBULL 5
1 3 DISTRIBUCIN DERAYLEIGH 8
1 4
POTENCIA TERICA MXIMAAPROVECHABLE 9
1 5 CORRECCIN
DE LA
DENSIDAD
9
1 6 ANLISISTCNICO 11
1 6 1 Principios Tecnolgicos de la Energa Elica 11
1 6 2 Turbinas de Eje Horizontal
Versus
Turbinas
de EjeVertical 14
1 6 3 Generadores
Elicos de Eje
Horizontal
16
1 6 3 1
Turbinasde
velocidadconstante
acopladas a
generadores sincrnicos
19
1 6 3 2
Turbinas de velocidad casi constante acopladas a
generadores asincrnicos 22
1 6 3 3 Turbinas
elicas de
velocidad variable acopladas
a
conversores
para generarcorrientealternade
frecuencia constante 23
1 6 4
Principales componentes 24
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
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CENTRALES ELICASDEENERGA ELCTRICA.
EVALUACIN
DEL
RECURSO ENERGTICO
ELICO
B viento es el aire en movimiento que se da entre las zonas fras
de alta
presin
y las
zonas clidas
de
baja presin
de la
atmsfera. Estas presiones
tienden a igualarse por lo que se produce corrientes de aire,
este proceso se da
debido a que el sol calienta la superficie de la tierra a
diferentes temperaturas,
la radiacin solaresprimeramente absorbida por lasuperficiede
latierra. En
funcin
de la no
homogeneidad
de la
radiacin,
el
calor absorbido
es
liberado
desigualmente actuando sobreel aire yproduciendo
diferentes
temperaturas
atmosfricas, presin ydensidaddelaire. Esta diferencia de presin
produce
las corrientes de aire.
EST BLE
INESTABLE \
/ALTA
X /__ __ X PRESIN
B J - VIENJTO
/
PRESIN
\E C A L I E N T E S U P E R F I C I E FR
Figura
No 1 1 Flujo deaire
debido
a la
diferencia
depresiones
La
masa
de
aire sobre
las
superficies calientes
es
calentada siendo ste
ms
fiviano
(baja presin) ms inestable con respecto a su contorno, por lo
que
tiendea elevarse. Por el contrario las masas de aire fro (alta
presin) son ms
pesadas, ms
estables
y
tienden
a
moverse hacia
las
superficies
de
baja
presin. Figura No.1.1.
Otrofactordecisivoen la formacin delascorrientesdeairees,
aescalaglobal
las diferencias de temperatura entre el Ecuador y los polos
(figura No. 1.2).
Durante el ao los trpicos reciben ms energa del sol, por lo que
existe una
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
15/184
CENTRALES ELCAS DE ENERGA ELCTRICA.
ganancia efectivadeenerga
solar;
y por elcontrario lospolos reciben menos
existiendo
una
prdida
de energa. Debido al desbalance
energtico
la energa
trmica
es
transmitida
atravsde las
latitudes
queasociada almovimientode
rotacinde latierra generalallamada fuerzadeCoriolis; estoes
laspartculas
deaireen movimiento son aceleradas para la derecha en el
hemisferio norte y
para
la izquierda en el hemisferio sur creando un equilibrio de
fuerzas de
gradiente de presin y produciendo un movimiento resultante a lo
largo de
lneas isobricas.
Seccin
transversala lo larg d
un
meridiano terrestre
quemuestra
la
circulacin meridiana.
Polo
Norte
c
^^
;,: T
rr^^^^V,
11soo
- Vientos Polares
del Este
Circulo polar
Cinturn
subtropical
de altas
presiones
Ecuador
baja
presin
Cinturn
subtropical
\e
altas
presiones
Circulopolar\ J
FrenteJ Qkr
/ientos k
Polares
del^
\
Polo Sur
75OOm
Figura
No.1 2
Circulacin
globalde la
atmsfera.
2)
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
16/184
CENTRALES ELICAS
DE
ENERGA ELCTRICA.
1 1
CARACTERIZACIN
DEL
POTENCIAL ELICO
atmsfera constituye un medio
fluido
con densidad y viscosidad, por tanto,
posee masa, cuando
una
masa
de
aire
se
desplaza, est
lo
hace
con una
energa cintica
que
viene dada por:
sedefinea:
p =
densidad del aire enkg/m3
V=
velocidaddelvientoen
mis
A=
rea
en
m
2
que
atraviesa
el
viento.
masadeaireporunidaddetiempo ser:
^-
=p A V Ec.1.2)
entonces la energa cintica
en la
unidad
de
tiempo
que
atraviesa
el
rea
A
ser:
A V V Ec1;3)
f 2
V A^
Ec.1.4)
siendo la potencia la razn con la cual la
energa
es extrada, consumida
o
convertida,se
tiene:
P
=
-y
1
Eat.5)
Por
lotanto:
P
=
-
p A
*
V3
Ec.1 6}
^=k V
3
Ec.1.7)
r l const ntekdepende
de
ladensidaddelaire
y de
lasunidades
en qu
seexpresa fasvariablesqueintervienenen
esta
ecuacin.
Como
se
puede
observarde
la
ecuacin anterior,
para
pequeasvariaciones
de la
velocidad
del;viento setendrfuertesrepercusionesen lapotenciay por
tantoen
laenerga
as:
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
17/184
CENTRALES ELICAS DE ENERGA ELCTRICA.
Para
unavelocidaddelviento Vi =V
PI
= k*
V
3
Para unavelocidaddelviento
V
2
=2
V P2= k*
V
2
)
3 =WkV
3
P2=8P7.
Unaformadecaracterizarelpotencial elicoes atravsde lapotencia
media
porunidad
de
rea.
P
= = P* v
(Ec.1.8)
o
Donde:
V es la
velocidad cbica media,
la
cual puede
ser
obtenida
de las
siguientes maneras:
1. Si seconoceladistribucindeprobabilidaddevelocidad
p(V)
sepuede
evaluar
la
velocidad media
y la
velocidad cbica media
a
travs
de:
3)
V=\Vp V)dV
(Ec.1.9)
V
3
=V3p V)dV
(Ec.1.10)
2. Si no se
conoce
la
distribucin
deprobabilidadde
velocidad
se
puede
o
obtener
I/y V a
partir
de la
serie temporal V(t), para
O
k =1.05^/V
Ec.1.18)
Varianza media
V>
4m/s). WEI2M^
k =0.94^7
Ec.1.19)
Varianza alta
\/
k
=1.05*^f54 k=2A4
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
19/184
CENTRALES ELICASDEENERGA ELCTRICA
Evaluando el denominador de la Ec.1.21 para
k=2.44
F 1+1/k) =F 1+1/2.44)= F 1.41) =
0.88676
Se calcula el parmetro c factor de escala) segn la Ec.1.21
0
=
5.4/0.88676= 6.09 m/s.
Con
losvalores de c y
k
calculadosse reemplazan en laecuacin Ec.1.13),
para calcular
la
funcin
de
Weibullp V), como
se
muestra
a
continuacin:
Tabla
No 1 1 Clculode lafuncin de Weibull
V
m/s)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
P V
294
755
0 1210
1528
1626
1495
12 2
848
526
286
136
57
21
7
2
P V
0 0121
639
1628
3 13
461
6188
7546
0 8571
9252
965
9855
9947
9983
9995
9999
1
1
Tiempo h
21 8
56 1
90 0
113 7
120 9
111 2
89 4
63 1
39 1
21 3
10 1
4 2
1 5
0 5
0 1
0 0
0 0
Donde:
p V)
Funcinde Probabilidad
Tiempo
=
p V)
x T
P V)Funcin acumulada
Perodo considerado
1
mes).
^
-1
a
9?
140
120
100
8
6
4
2
n
I
\
'fc
-
/ \ \ =5.4m/s X^
5 10
Velocidad
m/s)
Figura
No 1 3 Curvade velocidadde lviento
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
20/184
CENTRALES
ELICAS
DE ENERGA
ELCTRICA.
1.3.
DISTRIBUCIN
DERAYLEIGH
4 )
La
distribucin
de
Rayleigh
se
utiliza para determinar
el
nmero total
de
horas
H por ao que el viento puede alcanzar una velocidad V conociendo
la
velocidad media V en un determinado lugar. Es un caso particular
de la
distribucindeWeibullpara k=2
donde:
HORAS =8760 **
*e a
2
V
V=velocidaddelviento m/s)
V=velocidad media m/s)
;r= 3.1416
e=2.718
/ i / \
Ec.1.22)
Ec.1.23)
Conocido
el
nmero
de
horas
al ao que se
tiene determinada velocidad V
se
puede encontrar la velocidad cbica media con la ecuacin
Ec.1.10), y,
adems, la potencia y energa. La figura
No.
1.4.
muestra la distribucin de
Rayleigh para diferentes valores de velocidad media.
9
8
7
6
5
4
3
2
O
8.
8m/s
--Vmeda=
10m/s
A
Vmedia
12m/s
15 2 25
VelocidaddelViento m/s)
30
35 4
Figura No 1 4 Distribucin de Rayleighp r
diferentes velocidades
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
21/184
CENTRALES
ELICAS
DE ENERGAELCTRICA
1 4
POTENCIA TERICA MXIMA APROVECHABLE (5)
Considerando
el
momento axial,
la
ecuacin
de
Bernoulli
y la
primera
ley de la
termodinmica, Betz
en1926
lleg
a
establecer
la
siguiente relacin:
=4a
1-
a 2
(Ec. 1.24)
2
Donde
a es el
factor
de
interferencia axial.
Estarelacin
determina
la
potencia terica
que
puede
ser
obtenida
del
viento.
La
potencia
es
mxima cuando
a=1/3
PTER C
=
1 =
=
0.593 (Ec. 1.24.1)
-p A V
3 21
Entonces la potencia obtenida es:
P
=
-p A V
3
Cp (Ec.1.25)
DondeCp
es elcoeficiente depotencia y essiempre menora0.593que es el
mximo terico. Lo que
significa
que el 59.3 de la energa cintica del viento
puede
ser
convertida
a
energa cintica
del
rotor
del
aerogenerador.
En
condiciones reales
Cp es
funcin
del
rango
de
velocidades
del
viento
y
depende
de la
tecnologa
con la
cual est diseado
y
construido
el
rotor
teniendounmximode0.45.
1 5 CORRECCINDE LADENSIDAD
e la
ecuacin anterior
se
observa
que la
potencia
es
proporcional
a la
densidad, lamismaque variade unsitioaotrodeacuerdoa lavariacinde
la
temperaturay laaltura,esnecesario hacer correcciones en los
dosparmetros
citados,de
acuerdo
a lasiguiente ecuacin(4):
p =
C
A
*C
T
*
1.2256^ (Ec.1.26)
m
donde:
CA
factordecorreccin de laaltura.
Cr:
factor
de
correccin
de la
temperatura.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
22/184
CENTRALES ELICAS DE ENERGA ELCTRICA.
1
Los factoresdecorreccinsemuestranen lasiguientetabla:
Tabla
No. 1 2
Factor
de
correccin
de la
altura.4)
ALTURA m
762
1524
2286
3048
0.912
0.832
0.756
0.687
TablaNo.1 3 Factor de correccin de la tempera tura.
4
TEMPERATURA C)
-17.7
-6.7
4.4
15.5
26.7
37.8
1.13
1.083
1.04
1.00
0.963
0.929
Para
valores
que no
consten
en
estas tablas
se
tendr
que
hacer
interpolacin
usando losvalores dados, segnlasgrficas siguientes:
1.2 i
1
0.8
O
6
4
0.2
=-0.0001
H
+0.9938
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
ALTURA
(m)
Figura No.1 5 Grficaparala correccin de la altura.
O
5
1.2 n
1 -
0.8
0.6
0.4
0.2-
r - Q ----- - n
fct
CT=-0.0035T+ 1.0582
l i l i
I I I I
5 15 25 35
TEMPERATURA C
Figura No.1.6.Grfica para la correccin de la temperatura.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
23/184
CENTR LES
ELICASDE
ENERG ELCTRIC
11
1 6
ANLISISTCNICO
1 6 1
Principios Tecnolgicos
de l
Energa Elica
Lamquina bsica
de
conversin
de
energa
elicaes la
turbina. Aunque varios
diseos
y
configuraciones existen
las
turbinas
son
generalmente agrupadas
en
dos
tipos: turbinasde ejevertical en elcualel eje
derotacinesperpendicular
a lacorriente deaire y turbinasde ejehorizontal endondeel eje de
rotacin
es
paralelo
al
flujo
del
aire.
Dimetro
del rotor
letas
Caja de
Engranajes
Direccin
del
viento
Upuvind
Dimetro
del r tor
ltura
del eje
rquilla
Direccin
delviento
DovunWind
Torre
Base del rotor
Caja
deEngranajes
Torre
letas
Generador
Turbina Elica de ejeHorizontal Turbina ElicaejeVertical
Figura
No.
1.7. ipos
de
urbinas Elicas.14)
La figura
No.
1.7 muestra
los dos
tipos
de
turbinas
y sus
respectivos
subsistemas para
una aplicacin de
generacin
elctrica. Los
subsistemas
incluyen aletas o rotor que convierten la energa del viento en
energa
rotacional en el eje; este mecanismode transmisin usualmente
incluye una
cajade
cambios
y un
generador
una
torre
que
soporta
al
rotor
y al
mecanismo
de
transmisin
y
otros equipos
incluidos
controles cables equipos
de
soporte
entierra
y
equipos
de
interconexin.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
24/184
CENTR LESELIC SDE
ENERG ELCTRIC
figuraNo.1.8 ilustra losprincipios deoperacin bsicosde
unaturbina de
ejehorizontal.Elviento pasa sobre ambas superficiesde laaleta;
stealpasar
sobre la
superficie mayor
lo
hace
con
velocidad superior
a la
otra cara
lo que
produce una presin baja. Ladiferencia de presin entre lascaras
crea una
fuerza
llamada fuerzade levantamiento aerodinmico quecausaque
laaleta
selevante.
No
obstante
las
aletas
son
forzadas
a
moverse
en un
plano
con un
eje como su centro. Existe otra fuerza sobre la aleta la fuerza
de arrastre
paralela a la velocidad del viento. En
suma
estas dos fuerzas impiden la
rotacin.Elobjetivo primordialen eldiseodeturbinaselicasesobtener
aletas
con unagranvariacinentrelasfuerzasdelevantamiento-arrastre.
Figura No.1 8 PrincipiosBsicosde Operacin.14)
potencia desalidade unaturbina elica varacon lavelocidad del
viento.
Esta
relacin
esexpresada grficamenteen unacurvadepotencia. Lavariacin
de la velocidad del viento es lavelocidad con la cual la
potencia vara es
alcanzada y corresponde al punto donde la conversin es
eficiente
y est cerca
del
mximo.
En
muchos sistemas
la
potencia
de
salida sobre
la
variacin
de la
velocidad del viento es mecnicamente mantenida en un nivel
constante
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
25/184
CENTRALES ELICAS DEENERGA ELCTRICA
13
permitiendo
unmejor
control
del
sistema.
Para
valores
de
velocidades bajas
la
potencia de salida es cortada rpidamente.
o
o
ce
t/5
u
c
O
Velocidad
de Parada
Velocidad N o m i n a l
Velocidad
de
A r r a n q u e
3
15
Velocidad de lVien to m/s)
25
Figura
No
1 9 Curva
de
Potencia
de una
TurbinaElica
de Eje
Horizontal
Las
altas velocidades que soporta el rotor son los requerimientos ms
rgidos
de carcter estructural y de fabricacin que debe tener una mquina
para su
adecuada construccin. Hay una obvia relacin entre los costos de
fabricacin
y
eficiencia,
algunos rotoresson msfcilesybaratos defabricarqueotros,los
costos
se asocian con otras partes del sistema, como caja de
cambios,
mecanismos
deorientacin
para
las
mquinas
de ejehorizontal,
etc.
Mientras
ms
elaborado
sea el
diseo
de la
mquina tenemos costos relacionados
ms
elevados ydebemos arribar a unpunto decosto -eficiencia,
astenemos el
coeficiente de potencia Cp que relaciona la potencia mecnica
alcanzada
directamente
por elrotorP
R
y la
potencia
del
viento.
Elmismoque representa
eficiencia del rotor y no refleja las prdidas causadas por la
caja de
engranajes, soportes, rodamientos, etc. En general, valores
altos de pen el
orden de 0.45 estn presentes en las modernas
mquinas,
el coeficiente de
potenciatiene
una
mximo
tericode
0.593determinado
por la
relacin
de
Betz
(Ec.1.24.1).
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
26/184
CENTRALES
ELICAS
DE ENERGA
ELCTRICA
14
E
F
C
E
N
C
A
D
E
L
R
O
T
O
R
60
30
20
10
EFICIENCIADEVARIOS TIPOSDE
TURBINAS
EOUCAS
LIMITEDEBETZ
ROTOR
AMERICANO
/HULTI ASPAS
ROTORALEMN
DE4ASPAS.
ROTOR DE ALTA
VELOCIDAD DE
2 ASPAS
ROTORDARRIEUS
2 3 4 5 6 7 8 9
TIP SPEED
RATIO
Figura No.
LIO
Eficiencia del rotor
Versus
la velocidad delextremode laaleta. 31 )
La curva muestra
la
eficiencia
del
rotor versus tip-speed ratio
TSP),
donde
TSP es larelacin entrelavelocidaddelextremode laaletay
lavelocidad del
viento;
que
generalmente
es
usado
en
lugar
de la
velocidad
del
rotor
y
sirve
para
comparar diferentes tipos
de
rotor.
As un
TS
de 4 nos
indica
que el
extremo delaspa viajar4vecesmsrpidoque elviento.
1.6.2. Turbinasde EjeHorizontal Versus Turbinasde
EjeVertical.
La principalventaja
de las
mquinas
de eje
vertical
es que
pueden captar
el
viento proveniente de cualquier direccin y por consiguiente no
necesitan
orientarse hacia lacorriente delviento. Esto
permiteunaconstruccin simpley
es posible obtener ms energa en lugares con frecuentes cambios
en la
direccin del viento. Adems el eje vertical presenta mayor
facilidad para la
transmisin
as
para
el
caso
de
generacin
elctricael
generador
y la
caja
de
engranajes pueden ser localizados convenientemente en el suelo
sin la
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
27/184
CENTRALES
ELICAS
DEENERGAELCTRICA 15
necesidadde unatorre. Otra ventajaes que no senecesitade
unmecanismo
deorientacinpara girar
al
rotor contra
el
viento para empezar
a
generar.
Sin embargo la principal ventaja de las mquinas de eje vertical
es
simultneamente
su
principalobstculo estas mquinas puede recibir
el
viento
proveniente de todas las direcciones y es difcil protegerlas
contra las
tormentas en vista de que no pueden ser fcilmente giradas en la
misma
direccin del viento. Este problema ha sido solucionado con
mquinas de
geometra variable puesto que las aletas son automticamente
giradas para
reducir el rea de incidencia del viento.
Otras desventajas que presenta estas mquinas son:
1
Lasvelocidadesdelvientoson muybajas cercanasalniveldelsuelo
y
aunque
se
puede ahorrar
la
torre
la
parte
bajadel
rotor est sometida
a
velocidades bajas.
2.
Laeficiencia globalde lasmquinas de ejeverticalno esbuena.
3
Este tipo
de
mquinas
no
autoarrancan
por
ejemplo
la
mquina
Darrieus necesita un impulso antes de arrancar. Este es slo
un
pequeo inconveniente para conectar
la
turbina
a la
red.
Sin
embargo
se
puede usaralgenerador como motor hasta conectarsea la red y
luego la mquina funciona como generador.
4. Necesitan
de
cables
o
tensores para sostenerse siendo estos
imprcticos en muchas reas agrcolas.
5 Para el reemplazo de los
principales
soportes del rotor se necesita
removerel rotor tanto en las mquinas de eje vertical como
horizontal.
Peropara
el
caso
de las
mquinas
de eje
vertical estosignifica realizar
trabajos de movimientos de tierra en toda la base de la mquina
lo que
comprometelaestabilidadde lamisma.
Estoexplicaporque
la
mayora
de los
sistemasdisponibles
son
todava
de eje
horizontal estos generalmente autoarrancan fcilmente y pueden
sin esfuerzo
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
28/184
CENTRALESELICASDE
ENERGA
ELCTRICA 16
ser protegidas contra daos debido a las tormentas; girando el
rotor en la
misma
direccin
del
viento
o
cambiando
los
ngulos
deinclinacinde las
aletas.
La
siguiente
tabla muestra
la
relacin entretipos
de
rotorutilizados
en
Alemania
hasta 1990, como puede observarse,
las
mquinas
de
rotor horizontal
es
preponderante para las aplicaciones de generacin elctrica.
TablaNo 1 4
Relacin
entre TurbinasElicasde acuerdo a laposicindel
rotor
18 )
Posicin del rotor
Eje
Vertical
Eje Horizontal
Total
UpWind
Down
Wind
77
4
9
9
100
Esta
tabla representa tambin la clasificacin de los generadores de
eje
horizontal
de
acuerdo
a la
posicin
del
rotor respecto
al
viento:
Up
wind.-
el
viento alcanza primero al rotor y luego a la torre; y Down
wind.- el viento
alcanza primero a la torre y luego al viento. Existe una
tendencia mayoritaria
hacia
losgeneradoresupwind. Las granjas elicas utilizan en su
mayora
mquinas de eje horizontal de escala media en sistemas
interconectados.
1 6 3 Generadores Elicos
de Eje
Horizontal
Los
gener dores
de ejehorizontalse
clasifican
de acuerdo a su
dimetro
en:
TablaNo 1 5 Clasificacin de las turbinas elicas segn el Tamao
del rotor
Escala
Grande
Medio
Pequeo
DimetroRotor
>46m
12ma45m
1MW
40kWa999KW
-
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CENTRALES
ELICAS
DEENERGA ELCTRICA
Turbinas elicasdegran
escala
Existen ciertas escalas econmicas en las turbinas es decir
las
mquinas grandes estn en capacidad de generar energa a costos
menores
que las turbinas pequeas. La razn es que los costos de
cimentacin construccin de caminos de acceso conexin con la
red
elctrica ms un nmero componentes en la turbina tales como el
sistema electrnico de control son independientes del tamao de
la
mquina
elica.
Wcrdank
ISOOkW
Tjs reborg Mollen
2
kW
Figura No
1 11 Turbinas
elicas
de
gr n
escala
Loscostosdemantenimientosonaltamente independientes deltamao
de las
turbinas.
Enreas donde esdifcil encontrar espaciosms que para unasola
turbina las turbinas grandes utilizan el recurso elico ms
eficientemente por ejemplo en las cordilleras cumbres etc.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
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CENTRALES ELICASDEENERGA ELCTRICA 8
Turbinas elicas pequeas
Parael caso de reas remotas la red elctrica local puede ser
muydbil
paramanejar
la
capacidad
de
generacin producida
por una
mquina
de gran escala, debido
a su
poca poblacin
y
consumo
de
energa
pequeo.
Haymenos fluctuacionesen losparmetros elctricos desalidade
la
granja elica formada por un nmero de pequeas mquinas, si las
fluctuaciones del viento ocurren al azar y por lo tanto tienden
a
cancelarse. Adems pequeas mquinas pueden ser una ventaja en
unared elctrica de pequea escala.
El costo de usar grandes gras, y la construccin de carreteras
lo
suficientemente amplias para llevar los componentes de una
turbina
puede hacer
que las
turbinas pequeas sean
ms
econmicas
en
algunas reas.
Algunas mquinas
oturbinas
pequeasdisminuyen
el
riesgo
en el
caso
de fallas temporales por ejemplo, debido a la cada de rayos.
Consideraciones
no
estticas
del
paisaje puede algunas veces dictar
el
uso
de
turbinas
pequeas. Las
grandes turbinas,
sin
embargo, tiene
menor
velocidad de rotacin, lo que significa que una gran turbina
realmente
no
atrae mucho
la
atencin como muchas pequeas rotando
ms
rpidamente.
Estossistemas
que
generan corriente alterna
a
frecuencia constante
50 o 60
Hz sirven a diferentes propsitos, as se observan los principales
tipos.
-
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CENTRALES ELICAS
DE
ENERGAELCTRICA
1 6 3 1 Turbinas
de
velocidad constante acopladas
a
generadores
sincrnicos
Estetipo
de
sistema
es
comnmente usado
en
conexiones directas
en
paralelo
a
los
sistemas convencionales
de
generacin
elctrica.Las
turbinaselicas
de
media y gran escala caen dentro de esta categora. Es necesario
el uso de
mquinas elctricas
con un
pequeo nmero
de
polos generalmente
4, por ser
menos
pesadas y voluminosas, indispensables para el manejo del
generador
por mediode unmultiplicadordevelocidad, pero,
lavelocidaddelrotorno es
muyalta.
20rpm
para rotores grandes, 100rpm para medios
y 500r.p.m.
para
pequeos rotores).
VIENTO
LINE
GENER OR
SINCRNICO
RG
VELOCIDAD
CONSTANTE
Figura
No 1 12 Turbina elicacon
generador
sincrnico
Ponerenparaleloungenerador
sincrnico
atravsde unsistema reguladorde
velocidad
que
acta sobre
la
inclinacin
de las
aletas
es
demasiado complejo.
En
suma,
hay el
problema
de
mantener
la
estabilidad
del
generadorcuando
hay
sbitos cambios
en la
velocidad
del
viento rfagas).
La
ventaja
de
usar
un
generador sincrnico radica
en el
hecho
de que
sta
mquina tiene
su
propio sistema
de
excitacin,
lo que
significa poder generar
potencia reactiva
ytener regulacindevoltaje.
Enturbinas sobre los 500kW, se utiliza generadores en los que se
puede variar
el
nmero
de
polos para trabajar
con
mayor eficiencia acoplndose
a los
requerimientos de la carga, con el uso de estas mquinas, se
aprovecha tanto
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
32/184
CENTR LESELIC SDEENERG ELCTRIC
20
lasaltas como las bajas velocidades del viento. Y dependiendo
del fabricante
tiene una gama de caractersticas especiales para un mejor
aprovechamiento
de
unsitio especfico.Por
ejemplo
laturbina FLORA600 de
ABB
tiene aletas
ajustables hidrulicamente y utiliza engranajes para acoplarse al
eje de un
motor
sincrnico quealimentaa la redelctricaavoltaje
constanteatravsde
un
conversor esttico.
-i
2 m n
3x525V 6 Hz
x6 V
Figura No.
1.13.Sistema
de
control
de una Turbinas
elicas
con
generador sincrnico.
Cada
unidad consiste de una turbina elica co nmultiplicador de
velocidady frenos
mecnicos generador
sincrnico
conversor estticoycontrolador programable
SPS).
U
Conversor esttico
LR
ngulo
de las
aletas
del
rotor
E Excitatriz
QBreaker principal
D Enlace dedatos mdem)
B Freno
Velocidad
delejedelrotor
V Velocidaddelviento
X Valor actual
Is Corriente seteada.
Estas
turbinas tienen
un
freno mecnico
que se
utiliza para paradas normales
o
en casos de emergencia esta caracterstica de seguridad es
controlada y
monitoreada
por un
controlador programable. Adems
del
generador sincrnico
y
el
controlador programable tambin
se
tiene
los conversores
estticos
subestaciones
de
transformacin
y
equipos para correccin
del
factor
de
potencia.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
33/184
CENTRALES
ELICAS
DE
ENERGA ELCTRICA
21
Para operar con la ms alta eficiencia posible, sobre un amplio
rango de
velocidades
del viento, las
plantas
elicas
requieren
de
sistemas
con
generadores de velocidad variable, como se muestra en la
siguiente figura:
1.75
1 4 1 6
Figura No 1.14.Generador de velocidad
variable
Siguiendo
la lnea que
conecta
lospuntos
sobre
la caracterstica de la turbina
tanto
como sea posible se asegura que la potencia de salida de la
turbina
elica
sea
optimizada
para
diferentes
velocidades
de lvientov
posible ajustando
la
posicin
de las
aletas presetear
una
variacin
de la
velocidad para un torque tal que el generador alcance un mximo
de salida
posible para cada velocidad del viento. Un control especial
asegura que la lnea
sigala
caracterstica
de laturbinatancerca comoseaposible,para
garantizar
unaptima salida de potencia sobre un amplio rango de velocidad
del viento. La
tcnica de velocidad variable adems tiene la ventaja de que el
punto de
operacin de la instalacin puede ser libremente escogido. Ya que
el torque
transmitido M
decrece de acuerdo a la relacin
M=P n
para un rango de
potencia constante
P
si se incrementa la velocidad del rotor
n
a una alta
velocidad nominal bajo torque). Estas turbinas tienenbajos
costos en todos
suscomponentes relacionadoscon eltorque siendomscompactasy
livianas.
Adems
permiten
una
produccin mejor
de
energa.
La
combinacin
de
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
34/184
CENTRALES
ELIC S
DE
ENERGA
ELCTRICA 22
generador sincrnico
con
convertidores estticos poseen otras importantes
ventajas operacionales como:
1.
Reduce
los
costos
de
operacin
y
mantenimiento.
2.
Incrementa lacontabilidady la
disponibilidad.
3.
Desacoplamiento
de las
turbinas
elicasde la
red.
4. Suave reposicin ante oscilaciones de torque y velocidad
para
suministro constante
de
potencia
a la
red.
5. Confiable sistema de emergencia s el sistema de potencia
falla con
reinicio automtico.
1.6.3.2. Turbinas de velocidad casi constante acopladas a
generadores
asincrnicos.
Como
esconocido unamquina asincrnica empiezaagenerar potencia
activa
cuando
su
velocidad
excede
la
velocidad
de
sincronismo.
Por
tanto
acoplar
un
generador asincrnico a una turbinaelicaligeramente incrementa la
velocidad
del sistema de rotacin de la misma manera que la potencia de
salida es
incrementada dependiendo de las restricciones de la
caracterstica de torque -
deslizamiento de la mquina. El rango normal del deslizamiento
est entre el 1 y
5 quesignificaque lavelocidad puede mantenerse casi
constante.Laventaja
de
los
generadores asincrnicos consiste
en su
simplicidad
su
fortaleza
mecnica
y la
facilidad
con la que
pueden
ser
conectados
a la red de
distribucin con simple hecho de exceder la velocidad de
sincronismo.
GENER DOR
VIENTO
A DE INDUCCIN
JEA
C RG
VELOCIDAD
C SICONSTANTE
Figura
N o 1 15
Turbina
e lica con generador
asincrnico
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
35/184
CENTRALESELICASDEENERGA ELCTRICA 3
Para
el
caso
de
rotores
con
bajo torque esttico,
es,
adems,posibleencender
laturbina elicausando
el
generador asincrnico como motor
por lo que no se
requiere sistemas de mando de velocidad, aparte de servir para
prevenir
velocidades excesivas con vientos fuertes o cuando el generador
se
desconectede lared.
La
desventaja de losgeneradores asincrnicos consiste en el hechode
que
esta
mquina siempre requiere
de
potencia inductiva desde
la red
externa.
Por
tanto,no es
posible
el uso de una
turbina elica para usuarios aislados, sino
conectados
a una
red,
es
posible actuar sobre
el
factor
de
potencia
de la
mquina,
que de lo
contraro sera compensado
por
medio
de un
banco
de
capacitores. Elgenerador
asincrnico
essobre todo usado con mquinas de
medianaescala, aunque,ahora, varios prototiposdegrandes mquinas
estn
usando
este tipodegenerador.
1 6 3 3 Turbinas clicas de velocidad variable acopladas a
conversores para generar corriente alterna defrecuencia
constante
Estetipo
de
sistemas puede presentar
una
amplia variedad
de
configuraciones.
Un
factor comn,sinembargo,es elhechode que lasturbinas
elicas
operana
velocidad variable. Esto permitir
que el
rotor siempre gire
a un
nmero
de
revoluciones ptimo desde el punto de vista de la salida aun
cuando la
velocidad del viento vare. Para pequeas y rpidas turbinas
elicas, estas
pueden
en
algunos casos trabajar
sin un
multiplicador
de
velocidad.
LIUEA
V NTO
C U N I K U U t tX i
1
i
O
ENTRADA
SISTEMA
DE GENERACIN
CON
Y FR
VELOCIDADVARI ABLE
Fn iFMf TA
TiMT NTE
CARG/
VFI
nrtri n
V A P T A R I P
Figura No
1 16 Turbina
e lica que
gener
a
frecuencia
variable
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
36/184
CENTRALES
ELICAS
DEENERGAELCTRICA 24
Una configuracin tpica
es un
generador D.C. conectado
a un
inversor
que
genera comente alterna a la frecuencia de la red.
Una fuente de almacenamiento de energa puede ser insertada entre
el
generador y el inversor. Muy frecuentemente un generador
sincrnico con un
rectificadordeestadoslidoesusadoenlugardelgenerador deD.C.
Si
porejemplo consideramos un sistema sincrnico ms un rectificador
ms
una batera ms un inversor resulta un sistema muy complejoque
involucra
altos costos. En suma muchos
escenarios
que involucran prdidas en cada
componente considerablemente bajan el rendimiento de todo el
sistema. Ahora
sistemas de este tipo son usados ms especficamente para
abastecer a
usuario aislados con pequeos requerimientos que exigen
almacenamiento. La
potencia
de
salida esta
en el
orden
de
unos pocos
kW.
1.6.4. Principalescomponentes.
figura No. 1.17 muestra losprincipalescomponentes de una
modernaturbina
elicade eje
horizontal
y que se
describen
a
continuacin:
Aletas.
Losdiseosde lasaletas varan muchodeacuerdoaltamaode
lamquina.
Particularmente para medianas
y
grandes mquinas
la
estructura
de las
aletas
es
similara lasalasde unavin. Eldiseode lasaletas
consideralanecesidad
deasegurar
el
suficientegrado
deresistenciaa la
fatiga
y a lasfrecuenciade
resonancia. Lacarga variableen lasaletas
durantesurotacinesdebidoa su
propio peso rpidas fluctuaciones
en la
velocidad
del
viento
al
fenmeno
de
las capas del viento y para las mquinas con un rotor downwind el
efecto de la
torre.
Losmateriales usadospara
la
construccin
de las
aletas
son los
siguientes:
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
37/184
CENTRALES ELICAS
DE
ENERGA ELCTRICA
25
Giro de Aletas
Figura No
1 17
Componentes de una Turbina Elica de Eje
Horizontal
Acero.
es de bajo costo y ha sido probado en la construccin de
grandesestructuras aunque debe recibir tratamientos
anticorrosivos. El
uso
del acero adems involucra grandes pesos y como consecuencia
el
incremento
no
solo
en el
peso sino
en el
costo
de la
torre.
2.
Fibra
de
vidrio reforzada
on
materiales.
estos
tienen
laventajade ser
altamente resistentes
a la
fatiga
y de
bajo costo.
A
pesar
de la
falta
de
experiencia
del uso engrandes estructuras estos materiales hansido
usados
en la
construccin
de un
gran nmero
de
turbinaselicas.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
38/184
CENTRALES
ELICASDE
ENERGA
ELCTRICA 26
Madera. es
usada
a
gran escala
en
pequeas mquinas ahora
el uso
del
plywood est siendo considerado
en
grandes turbinas elicas
por
serlivianoyresistentea lafatiga peroessusceptible
aquebrarse.
4.
leacin
de
aluminio.
estassonusados especialmente enaletasen las
que
soportar empujes hacia afuera pero
no
tienen
la
suficiente
resistencia
a la
fatiga
en
largos perodos
de
tiempo como otros
materiales.
La composicin
de
materiales hechas
con
fibra
de
carbono estn tambin
siendo usados experimentalmente sus propiedades son muy buenas
pero son
demasiados caras.
otor
El nmero de aletas es una consideracin bsica en las turbinas
elicas. A
mayor
nmero de aletas ms torque puede producir el rotor. Un pequeo
torque
es necesario para sacar
al
rotor
de su
posicin
de
reposo;
sin
embargo
el
torquees inversamente
proporcional
con la
eficiencia
del rotor cuando menos
aletas tiene
el
rotor
ms
eficiente
es una
aleta
es lo
ideal pero posee algunos
problemas en el balance dinmico. Los rotores de 2 y 3 aletas son
los ms
usados
pero por qu utilizar los de 3 aletas si los de 2 aletas son
ms
eficientes?.
Los
rotoresde 2aletas tienen problemacon elsistema
encargadodecambiarla
posicin
del
rotor para seguir
los
cambios
en la
direccin
del
viento.
Los
rotores
de2aletas causan esfuerzosentodossuscomponentes
mecnicosaltratarde
orientarse respectoa ladireccindelviento. Estos esfuerzos
ocurren debido al
continuo cambio de la posicin de las aletas en el plano de
rotacin. Cuando las
aletas estn
en
posicin vertical esto
es en
lnea
con la
torre existe
una
pequea resistencia para que el rotor se oriente alrededor de la
torre. Sin
embargo cuando
las
aletas estn
en
posicin horizontal esto
es en
ngulo
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
39/184
CENTRALES
ELICAS
DE ENERGA ELCTRICA 27
recto con la torre o paralelo al suelo poseen una mxima
resistencia o inercia
paracualquier
movimientodeorientacin.
El resultado es un efecto rtmico arranque - parada del sistema
dos veces por
revolucin
del
rotor este efecto
es
visto como
una
aleta
de
resistencia
al
movimiento.
Los
rotores
de 3
aletas eliminan este problema debido
a que no hay la
suficiente inercia de una aleta horizontal
para
poder crear esta aleta de
resistencia. La aleta horizontal es ms que un contrapeso para
que las otras
dos
trabajen
por sus
propios medios
el
rotor
de 3
aletas bien balanceadas
operan suavementesinninguna vibracin oresistencia mecnica.
Losrotoresde 2aletas tienen menores costosyrotan msrpido
encambio
los
rotores
de 3
aletas tienen mejores propiedades aerodinmicas porque tienen
untorquemsuniforme.
El
eje de oscilacin debera tener una cierta inclinacin con relacin
al de las
aletas laoscilacinde lasaletas esta acompaadaspor a
unavariacin
cclica
de
la
inclinacin
que
tiene efectos beneficiosos sobre
la
dinmica
del
rotor
y es
usado
para
la
estabilizacin
de la
barquilla
deorientacinen
rotores downwind.
Losrotores downwindnotienenproblemas deinterferenciaentre
lasaletasy la
torre debido a laaccindel viento. Ademses
posible
poner lasaletasen un
ngulo cnico de unos pocos grados estos
posibilita
las cargas debido al viento
ser parcialmente compensadas por las cargas debido a las fuerzas
centrifugas.
Los
rotores downwind parecen
en
principio
ser ms
estables
en
cuanto
a la
orientacin
tantoas queeste alcanza laposibilidad deestar
disponible
para
alcanzar un alto grado de auto - orientacin sin usar cualquier
servomecanismo.
La principal
desventaja de esta configuracin por otro lado es la
peridica
tensin a la que estn sujetas las aletas debido al efecto de
sombra de la torre.
Este efecto adems causa variaciones peridicas
en el
torque
y por lo
tanto
en
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
40/184
CENTRALES ELICASDEENERGA ELCTRICA 8
la potencia
de salida. Una
torre
con un
perfil disponible puede disminuir
la
gravedad de este problema.
Con un rotor Up wind esta desventaja no existe. La desventaja de
esta
configuracin
sin
embargo esta
en la
necesidad
de
prever
la
interferencia
de
las aletas con la torre especficamente si el rotor tiene una
particular conicidad.
Enpequea mquinas el rotor up wind hace posible obtener una
orientacin
una
aletadireccional.
Reguladordeinclinacin
Cuandola potencia de salida es muy alta el controlador
electrnico enva una
seal al mecanismo de giro de las aletas para que estas giren
suavemente y
disminuir
la
incidencia
del
viento.
Las
aletas
del
rotor tienen
la
posibilidad
de
girar sobre su eje
longitudinal.
El uso de un regulador de inclinacin en las
aletas del rotoressignificadisear la mquina para vientos que
pueden ocurrir
soloporbreves perodos duranteelao.
mejor explotacindelrecurso
elico
y de lapotencia instalada y por lotanto
adems
delbajo costopor kWh puede serobtenida conaletas
deinclinacin
variable.
inclinacinpuedeservariada continuamenteo porpasos. Latendencia
en
las
mquinas grandes es el uso de aletas giratorias solo en el
extremo de estas.
Los
actuadores usadossonelectromecnicosohidrulicos asestas
mquinas
siempretienenun grado de redundancia
Transmisin delmovimiento
transmisin
del
movimiento desde
el
rotor
al
generador
se lo
hace
a
travs
deun multiplicador de velocidad cuya relacin se incremente con
el dimetro
del
rotor.
En las
mquinas
de
gran escala
el
convencional
eje
multiplicador
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
41/184
CENTRALESELIC SDEENERGAELCTRIC 29
paralelo a sido reemplazado por un multiplicador helicoidalque
tiene la misma
relacin,pero tiene menor volumen, peso
y
costo.
Losejes rpidos,en el
caso
de las turbinas elicasconvelocidad constantey
casi constante, rotana1500 (1600)r.p.m.para50(60)Hz.
Latransmisin del
movimiento,
en las ltimas mquinas, es efectuado a travs de elementos
flexibles, tales como quidshafts , que reducen lavibracinen el
torquey en
general contribuyedirectamente
a la
disminucin
de
sbitosesfuerzos
en el
sistema.
Los
ejes rpidos adems
tienen
unfreno. Enpequeas mquinas, elfrenoes
usadocomounaproteccin contra sobre-velocidades ypara
pararelrotor.
Generador y sistemaelctrico
Anteriormente ya se mencion acerca de varios sistemas elctricos
que son
usados con las turbinas elicas. La tendencia en estos momentos
es usar
mquinas
especiales
que son
diseadasparamejorar
los
tipos existentes. Para
mediana y gran escala de mquinas, la energa es alimentada a
redes
interconectadasatravsde untransformadorylneadetransmisin
enlazando
el sistemaelico con la red. Los sistemas elctricos consisten de
todas las
usuales protecciones, seccionadores, equipos de control.
La
conexin entre
la
turbinaelica
y la
subestacin elctrica
se
efecta
a
travs
de cables subterrneos. El panel de control esta localizado en
una especial sala
de
control.
Sistema de
orientacin
Para
asegurar lamxima productividadde lamquina,esimportante
tenerun
continuo alineamiento entre
el eje del
rotor
y la
direccin
del
viento. Para
pequeas turbinas con rotor up wind es frecuente el uso de una
aleta
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
42/184
CENTRALES ELICAS
DE ENERGA
ELCTRICA
30
direccional.
Para rotores downwind
la
tendencia
es
tener
un
autoalineamiento
aerodinmicosin laayudadecualquieraparato externo.
Para el caso de las mquinas de mediana y gran escala la
orientacin es
mediante servomecanismos. Elmovimiento de la barquilla con
relacin a la
torreesefectuadopormediodeengranajes controladospormotores
elctricos
o hidrulicos.
El
sistema
de
orientacin detecta cualquier cambio
en la
direccin
del
viento
y
causa una realineacin. Es importante que laorientacin no
seademasiado
rpida.
Para prevenir
que el
rotor
y la
torre sean sobrecargadas
por
sbita
aceleracin y efectosgiroscpicos. Tambin esta equipado con un
freno de
orientacin quesirveenalgunos
casosparamantenimientoyparaconexiones
en movimiento. El freno puede ser parcialmente liberado cuando
se esta
buscando la
alineacin
y
ajustado
una vez que la
regulacin
a
tomado lugar.
Esto previene queexistan cualquier juego en los engranajesque
produzcan
un oscilacin.
Barquilla
y
torre
barquilla consiste
de una
fuerte plataforma
de
acero
y una
concha externa
del mismo material y en grandes mquinas se debe asegurar que
exista
suficiente espacio paraelmantenimiento.
Latorre puede tener
unavariedadde
configuraciones:
una
armadura
de
acero
concreto tubular
o
soportes
de
acero.
Es
aconsejable
que la
torre
sea
resistente
al viento y a frecuencias de vibracin debido a posibles
tensiones. La armadura
deacero
y los
soportes
de
concreto hacen
ms
rgidas
las
torres cuyas propias
frecuencias sonmucho mayoresque las tensiones peridicas que son
todas
ellasmltiplosde la frecuencia de rotacin de la mquina. Las
torres fabricadas
con
acero tubular
son
mucho
ms
livianas
y ms
econmicas
son
llamadas
tambin torres elsticas flexibles o livianas cuyas propias
frecuencias
son
tambinmuybajas.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
43/184
CENTRALES
ELICASDE
ENERGA ELCTRICA
3
Hardware
de lasturbinas elicas
El hardware de las turbinas elicas est compuesto principalmente
por el
controlador.
El
controlador consiste
de un
conjunto
de
computadoras
que
continuamente monitorean
las
condiciones
de la
turbina
y
almacenan datos
de
su
operacin.
Como
su nombre lo indica el controlador, adems, controla una
grancantidad de interruptores, bombas hidrulicas, vlvulas y
motores dentro
de la turbina. Un controlador posee una alta confiabilidad que
garantiza
operacin normal de la turbina.
La
comunicacin
del
controlador consigo
mismoy con el
operador
de la
turbina
se realiza a travs de seales de alarmas mediante enlaces
telefnicos o de
radio. Es posible comunicarse con una turbina para recoger datos
estadsticos
de su funcionamiento, chequeo del estado actual, etc. En granjas
elicas una
de las
turbinas
es
equipada
con una
computadora desde
la
cual
es
posible
el
control y almacenamiento de datos para el resto de las turbinas
de la granja
elica.
Usualmentehay uncontroladoren labasede latorrey en
labarquilla.-En los
ltimos modelos deturbinas,la comunicacin entre
consoladores
es por medio
defibra ptica, tambin,
se
tiene
la
participacin
de un
tercer controlador
en el
eje del rotor, que se comunica con el controlador de la
barquilla usando
comunicacin serial
a
travs
de
anillos rozantes
y
escobillas
en el eje
principal.
Los
computadores y sensores estn duplicados redundancia) en todas
las
reassensibles de las nuevas grandes turbinas. El controlador
continuamente
compara todaslaslecturasde losparmetrosde laturbinapara asegurar
que
tanto los sensores como los computadores estn funcionando
bien.
En las modernas turbinas es posible setear o monitorear entre
100 y 500
valores
de
parmetros,
el
controlador puede
por
ejemplo, chequear
la
velocidad
de rotacin del rotor, el generador, su voltaje y corriente.
Adems, se pueden
registrar las descargas elctricas o rayos. Adicionalmente, se
pude medir la
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
44/184
CENTR LES ELIC S DEENERG ELCTRIC 32
temperatura del aire temperatura en los cabinas electrnicas
temperatura en
los
bobinados
del
generador temperatura
del
aceite
y de los
soportes
de la
caja
de
engranajes presin hidrulica ngulo
de
inclinacin
de
cada aleta
del rotor
ngulo de inclinacin de la barquilla direccin del viento
velocidad del viento
medida con el anemmetro tamao y frecuencia de las vibraciones en
la
barquilla y en las aletas del rotor espesor del revestimiento de
los frenos
sistema
de
alarma
si la
puerta
de la
torre est abierta
o
cerrada.
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
45/184
PL NIFIC CIN
DE UN
CENTR L
ELIC
PLANIFICACIN
DE UNA CENTRAL ELICA 34
2.1.
EXPLORACIN
Y
EVALUACIN
DEL
SITIO PARA
APROVECHAMIENTO ELICO 36
2.1.1
Indicadores topogrficos
y
meteorolgicos
36
2.1.2
Deformacionesen lavegetacin 37
2.1.3 Incidenciade laformadel terrenoen elviento 38
2.1.4
Prospeccin
del
sitio
43
2.1.5 Recolecciny anlisis de datos 44
2.2. DEMA NDA ENERGTICA 45
2.3.
CLCULO DE
LA
POTENCIA TOTAL
A
INSTALARSE
50
2.4.
ENERGA NETA
54
2.5.
EVALUACIN
DE
COSTOS
58
2.5.1 Costos de instalacin 58
2.5.2
Costos
espcficos 62
2.5.3
Costos de la
energa
63
2.6.
POLTICAS
LEYES
E
IMPACTOS A MBIENTALES
66
2.6.1 Polticas y Leyes 66
2.6.2
Impactos ambientales
71
2.6.2.1 Ocupaciny alteracindel suelo 73
2.6.2.2
Uso indirectode energay emisiones 74
2.6.2.3 Aves 76
2.6.2.4 Ruido 76
2.6.2.5 Impacto visual 78
2 6 2 6
Interferencia
en las
telecomunicaciones
79
2.7. INTERCONEXIN CO N LA RED ELCTRICA 79
2.8. VERIFICACIN DEL RENDIMIENTO DE UNA GRAN JA ELICA.83
2.8.1 Causas
de una
produccin deficitaria
de
energa
83
2.8.2 Metodologa 87
2.8.2.1 Medidade lacurvadepotenciade unasola turbina
mediante un
mstil
o torre meteorolgica 87
2.8.2.2
Verificacin
de lacurvade potencia m edianteun
anemmetroen labarquillade laturbina 89
2 8 2 3
Eficiencia
de la
granja
elica 90
2.8.2.4 onitoreo
del
rendimiento
de la
gran ja elica
y
verificacin
de la produccin de energa 93
2.8.3 Riesgoen laproduccindeenerga contralos
costos
de
verificacin delrendimiento 95
2.8.4 Manifestacin
de la
verificacin
del
rendimiento
en los
contratos de venta 98
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
46/184
CENTRALESELICAS DE ENERGA ELCTRICA 34
PLANIFICACINDE UNACENTRAL ELICA
Para que
cualquier actividad humana llegue
a
culminar
con
xito
es
imprescindible
la
implementacin
de un
plan
el
mismo
que
involucre
a
todas
las
partes
constitutivas
de
dicha actividad. As
en la
planificacin
de una
central
elica
se
hace necesario
ir
abordando cada
una de las
actividades
o
pasos
que
intervienenen elprocesodediseoyconstruccin.
Siendoel vientoelrecursomsimportanteen una
central
elica entonces la
primera
actividad que se debe realizar es la seleccin del sitio de
implantacin
el mismo
que
debe cumplir
con
ciertas condiciones
que se
estudiarn
en el
presentecapitulo.
La satisfaccin
de una
necesidad
es
tambin
una
instancia decisoria
en
cualquier actividad econmica
que se
pretenda poner
en
accin; para
el
caso
delacentral elica esnecesariounaevaluacinde
lademandadeenergaque
se
tenga
y se
pretenda satisfacer.
Unavez seleccionadoensitiosedebe
realizarunacaracterizacinencuantoa
la potencia que se puede instalar as como tambin de acuerdo a
sta la
seleccindeltipodeaerogeneradory susrespectivos componentes.
Alfinal serealizaunanlisisdecostos elmismoquedeterminar
laviabilidad
delproceso
o la
revisin
de
cualquier parte
del
mismo involucrando
un
proceso
de
rediseo del proyecto.
La revisin de las polticas leyes impactos ambientales son
obligatoria en
cualquier
proyecto energtico
el
mismo
que
puede
no ser
factible
si no se
satisface condiciones medioambientales.
Lo anteriormente enunciado
se
resume
en el
siguiente cuadro:
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
47/184
CENTRALES ELICAS DE ENERGA ELCTRICA
PLANIFICACIN
DE UNA
CENTRAL EOLICA
EXPLORACIN
Y
EVALUACIN
LSmO
REDISEO
EVALUACIN
DE LA
DEMANDA
DE
ENERGA
POTENCIA
TOTAL
A
INSTALARSE
TIPO
DE
TURBINA
ST S
EVALUACIN
PRELIMINAR
DISEO
FINAL
INTERCONEXIN
CON
EL
SISTEMA
DEPOTENCIA
POLTICAS
LEYES
E
IMPACTOS
AMBIENTALES
Figura No 2 1 Esquema de planificacin de una central eolica
tipo
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
48/184
CENTRALESELICASDEENERGA ELCTRICA. 36
2 1 EXPLORACIN Y EVALUACIN DEL SITIO PARA
APROVECHAMIENTO ELICO
2 1 1 Indicadores topogrficos
y
meteorolgicos
Para
el dimensionamiento de una
instalacin
elica, se debe realizar
mediciones
que
permitan conocer
el
comportamiento
del
recurso elico, existen
ciertas combinacionesdecaractersticas
topogrficasymeteorolgicasque se
asociana altas o bajas velocidades del viento. Estas
caractersticas indicativas
deuna
alta velocidad media
del
viento
son;8
Brechas, pasos y desfiladeros en reas de fuertes gradientes
de
presin.
Extensos valles extendindose desdelascordilleras.
Altiplanosyllanosagrandes alturas.
Llanos y valles con grandes gradientes de vientos asociados
con
fuertesgradientesdepresin.
Cordilleras expuestas y cumbres de montaas en reas de
fuertes
vientos.
Sitios costeros expuestosenreasde:
-
grandes vientos
o
- zonas calientes congradientesdepresin.
Las
caractersticas
que
indican
una
velocidad media baja
del
vientoson:
8
Valles perpendicularesavientos predominantemente altos.
Barreras naturales
o
artificiales contra
el
viento.
Pequeosy/oestrechos vallesycaones.
Sitios con
superficies
muyrugosas
superficies
cubiertasporbosques,
arbustos).
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
49/184
CENTRALES
ELICASDE ENERGAELCTRICA. 7
2.1.2. Deformaciones
en la
vegetacin.
Adems
de las caractersticasdelterreno anteriormente citadas existen
otras
como deformaciones en la vegetacin y formaciones caractersticas
en el
terreno que dan indicios de tipos de vientos.
Unaevidenciadefuertes vientos puedeserencontradaen
ladeformacinde la
vegetacin. Sin embargo son muchas las limitaciones prcticas para
el uso de
los
rboles como indicadores
de la
velocidad media
del
viento
a
pesar
de que
las
deformaciones de los rboles pueden indicar que las velocidades
del viento
son
mayores que 4m/s los rboles no deformados no indican que las
velocidades sean ligeras puede haber lugares donde existan
vientos fuertes en
todas las
direcciones
y la
persistencia
de cualquier
direccin
es
insuficiente
para causar una deformacin. No obstante a pesar de posibles
errores que
son inherentes
en el uso de los
rboles como indicadores
de la
velocidad
media
anual
son
usados
en la
identificacin
de
reas potenciales
con
moderadosyaltos recursos elicos.
remocin
y
depsito
de
materiales
en la superficie por el
viento forma
playas dunasdearenayotros tiposdeformasdelterreno indica
lafuerzadel
viento en una direccin constante.
=
17 mph
7.6
Figura
No.2.2.Deformaciones en la vegetacin por el
viento.
9)
-
7/25/2019 Espn.centrales Eolicas de Energia Electrica
50/184
CENTRALES ELICAS
DE ENERGA ELCTRICA.
38
Una
forma fcil
de
evaluar
el
recurso elico
es
utilizando
el
mtodo indirecto
o
escala anemomtrica de BEAUFORT, que permite identificar en
forma
preliminarlas caractersticas del viento.
Tabla No. 2 1
Escala
de
Beairfort. 6)
NUMERO
BEAUFORT
0
1
2
3
4
5
6
7
8
VELOCIDAD
Km./h
1 -5
6-11
12 19
20-28
29-38
39-49
50-61
62-74
VIENTO
m/s
0-0.2
0.3-1.5
1.6-3.3
3.4
- 5.4
5.5
- 7.9
8.0-10.7
10.8-13.8
13.9-17.1
17.2-20.7
DESCRIPCIN
Calma
Aire
ligero
Brisaligera
Brisasuave
Brisamoderada
Brisa fresca
Brisafuerte
Viento
moderado
Viento fresco
CRITERIOS ENTERRA
Humo
sube
verticalmente.
Humoseinclinapero no se
mueven las veletas.
Senotael
viento
en lacara.Las
hojasse
mueven.
Hojas
y
ramitas
en
movimiento
continuo.
Seagitanas
banderas.
El
viento levanta
polvoy hojas de
papel.
rbolespequeos
se
balancean.
Grandesramas
se
agitan.Hilos
elctricos
vibran.
rboles seagitan. Dificultadal
caminar.
Se rompen ramas
pequeas.
Dificultad
al
caminar.
2 1 3 Incidencia
de la
forma
del
terreno
en el
viento
Una
manera
de
determinar
la
incidencia
de la
forma
del
terreno
en las
velocidadesdelvientoes atravsde losperfiles deviento, los
quemuestran
las diversas formasqueadoptan lascorrientes deairedeacuerdoal
terreno
que
este atraviesa.
Perfiles de viento
Se
conoce como perfilesdevientoalcambiode lavelocidad delvientocon
la
altura debido a lafriccinexistente entre lasuperficiede latierra
y elaireen
movimiento y,entrelascapasdeaire,seexpresacon lasiguiente
ecuacin:/)
) Ec.2.1)
Z)
H
H)
Donde:
U Z)
=Velocidad desconocida
a la
altura
Z
U H) =Velocidad conocida
a la
alturaH
E
=
Coeficientede
friccin.
-
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CENTRALESELICAS
DE
ENERGA
ELCTRICA.
39
El
coeficiente
E
vara aproximadamente desde 0.05 hasta 0.5
y es una
funcin
de la
rugosidad
de las
superficies
del
terreno.
A
continuacin
se dan
valores
tpicos de coeficiente de friccin.
TablaNo.2 2 Coeficientes deFriccin ^
Descripcin
del
terreno
Superficieslisas lagosuocanos.
Arbustos pequeosenterrenossincultivos.
Praderas
conpastosalpie ocasionalmente rboles.
Cultivos altos rodeadosdepocos rboles.
Muchos rboles
y
ocasionalmente edificios.
Terrenos arbolados pequeas poblaciones y suburbios
reasurbanasconedificios altos.
0.10
0.14
0.16
0.20
0.22-0.24
0.28-0.30
0.40
INCREMENTODE L VELOCID DDEL VIENTO
CON
L LTUR
P R
V RI SSUPERFICIES
SMOOTH SAND
WATER
SNDW
E-.03
E-12
STEPPE LONG TAL LRO W SUBURBS SMAU. CITIES.ROUGH
QRASS.WHEAT CROPS.BRSH TOWNS. HEDOE ROWS COUNTRYWITH
E-.17
E-.21
E-28 WINDBREAKS
E- .44
Figura
No.2 3
Incremento
de la velocidad del
viento
con la altura. 1)
H:
altura
en
pies U Z)
velocidad
enmillaspor
hora.
La
regin comprendida entre
las
capas
de
aire
que no son
afectadas
y la
superficie de latierra seconoce como capa limite.
Elespesordeesta capa
-
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CENTRALES ELICAS DE ENERGA ELCTRICA
40
depende
de la
rugosidad
del
terreno
y es
mnima sobre superficie lisas lagos
y
ocanos.
En
la figura No.2.4. se muestra la capa
limite
cuando un flujo de viento
atraviesa una zona de rboles estos extraen energa de las capas
inferiores lo
que causa un gradiente de velocidad que disminuye la energa en
las capas
superiores.
Vienta
Viento
Figura No.
2 4
Disminucinde la
velocidad
de l aire
debido
a la presencia de rboles.*4
Turbulencia
AltaVelocidad
Turbulencia
FiguraNo.
2 5 Flujo
de viento sobre una colina y sus
efectos.
-
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CENTRALESELICAS
DE ENERGAELCTRICA
En
la figura
No.2.5.
se
presenta
un
grfico
que
permite observar
las
formas
de
las
corrientes
de
aire para diversos tipos
de
terrenos.
Figura No 2 6 Turbulencias debidas casasy edificios ^
Generalmente
para pequeas turbinas sobre
los 10mde
dimetro
del
rotor
el
viento debera disponerde un flujolibrede almenos 300m
alrededordelequipo
enla
direccin predominante
del
viento. Para equipos
debaja
velocidad como
por
ejemplo para
el
bombeo
de
agua
y
donde
la
vegetacin
es
espesa
el
rotor
debera
ser
montado
a una
altura mnima correspondiente
al
dimetro
del
rotor
sobre el ms alto de los obstculos si esto es tcnicamente
posible. Para
obstculos como casas
y
rboles
la
siguiente ecuacin determina
la
altura
mnima
requerida para
el
rotor.
VIENTO
H R = 3ZH
R
H
Figura No 2 7
Clculo
de la
altura
mnima del
Rotor
-
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CENTRALES ELICASDEENERGA ELCTRICA 42
0.33
Ec.2.2)
H R
Donde: A =Punto
ms
bajo
del
terreno
B = Punto ms alto del terreno
ZH=Alturadelobstculo
R =
Radiodelrotorde laturbina.
H=Alturadelrotor sobreelterreno
As deesta maneralosremolinos causadospor losobstculos
noinfluyenen
el funcionamiento de la turbina.
Turbulencia
La
turbulencia en laatmsferasondebidas a las rpidas fluctuaciones
de la
velocidad del viento. Estas no causan impacto directo en la
potencia generada
por
laturbina, pero puede causarunacarga extraen lamisma.
Enteora,el
incremento
de la
velocidad
del
viento causa
un
incremento
en la
potencia, pero usualmente esta perturbacin dura pocos
segundosycomolas
turbinas noreaccionan rpidamente ante esta,seproducen pequeos
efectos
en
la
potencia
de
salida. Para
cuantificar la
turbulencia
se
utiliza
la
siguiente
ecuacin basadaen ladesviacin estndarde lavelocidaddelviento.
-
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CENTRALES ELICAS DEENERGAELCTRICA. 43
2 1 4 Prospeccindelsitio
