Universidad Nacional de Educacin a Distancia

Departamento de Ingeniera Elctrica, Electrnica y de Control

Recursos energticos de la biomasa y del viento

Recursos energticos de la biomasa y del viento

Parques elicos terrestres:clculos, definiciones.LUGO 7 de Mayo del 2009

Dr. JosDr. Jos Luis del ValleLuis del Valle--InclInclnn

DIEEC/UNEDDIEEC/UNED

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Teora del lmite de Betz

1) ECUACIN DE LA CONTINUIDAD:

Q = constante. (1)

2) TEOREMA DE LA CONSERVACIN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO ( TEOREMA DE EUL.ER)

F = P . Q ( VI - V2 ) = P .A . V ( VI - V2 ) (2)

Tambin podemos calcular esta fuerza como: F =A ( P + - P- ) (3)

3} ECUACIN DE LA CONSERVACIN DE LA ENERGA. (TEOREMA DE BERNOUILL)

V2+ 1/ V 2 - + + 1/PI 72 p. 1 - P 72 P

P2 + Y2 p.. V22 = P - + Y2 p . V2

WindTurbine Power Basics

Wind Turbine Power Curve

Power Capiured

Power

Willd Speed

~ICut-In IRated ICut-Out 8p""d Sl'""d Sl'"ed

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a)

Vo Velocidad del viento (v) ~

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111".11 FiguraS/Z9.Proc.,d[miento gnfl""p';"'ieYci[tul delaenrga;mu;! :1)rodGidapi>rUrj\!.~qge'nerador '.,. ,. . . .

Sistel11as de captacin elica

EJE VERTICAl

SAVONIUS SAVONIUS MUlTIPAtA

DARREIUS

~DARREIUS ~

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ACCIONAMIENTO POR RESISTENCIA

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ACCIONAMIENTO POR SUSTENTACION

TURBINA

GIROMILL

EJE HORIZONTAl ---------------_--,

MULTIPAtA Nv\ERICA.I'K>

BARLOVENTO

Figura 4.6

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[1] - TURBINA EOLICA

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etc.)

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.fe sisf eleemea, etc.

[4J

EJERCICIO

1) Clculo de la velocidad media del viento a una altura detenninada a partir de otra altura.

datos: ho = 10 m, Vo = 6 mIs, n = 0,14, D = 30 m , p = 1,27 kg/m3

para h = 70 m : V70 = 6 (70/10),14 = 6 . 7,14 = 12 mIs

2) Clculo de la potencia disponible.

P viento = ~ . p . A . V3 = ~ . 1,27 . n/4 302 123 = 748 kW

para cp = 0,59 (coeficiente de potencia, limite de Betz)

P mecnica = 0,59 . 748 = 441,32 kW

Pelctrica = l1elctrico. P mecnica = 0,85 . 441,32 = 374 kW

3) Evaluacin econmica de la inversin.

Consideraciones:

factor de capacidad: fe = 25 % , O nmero de horas equivalentes (8.760 x 0,25) = 2.190 horas

coste del kW instalado: 900 /kW

vida til: 20 aos; inters: 7 %

linversin inicial = 900 . P final = 900 X 374 = 336.600

tasa interna de retorno (TIR):

nTIR = r / [ 1 - (1 + rr ] = 0,07 / [ 1 - 1,07-20 ] = 0,094

coste del capital: Cp = Ii / Pi [ TIR / ( fe X 8.760 )]

Cp = 900 [ 0,094 / ( 0,25 X 8.760 )] -- 0,0386 /kWh

mantenimiento y operativa: 2 %

COSTE TOTAL = 1,02 x 0,0386 -- 0,04 /kWh

"Teniendo en cuenta que el precio del kWh es de 0,079 "

" la inversin es rentable"

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CAPOTAjBASTIDORl

CONTROL 1 PALA

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BUJE /'

MULTIPLICADOR

~ GENERADOR

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MATERIAL DE LAS PALAS

La mayora de las modernas palas de rotor de grandes aerogeneradores estn fabricadas con plstico reforzado con fibra de vidrio ("GRP").

Utilizar fibra de carbono como material de refuerzo es otra posibilidad, pero normalmente estas palas son antieconmicas para grandes aerogeneradores.

Los materiales compuestos (composites) de madera maderaepoxy, o madera-fibra-epoxy an no han penetrado en el mercado de las palas de rotor, aunque existe un desarrollo continuado en ese , area.

Las aleaciones de acero y de aluminio tienen problernas de peso y de fatiga del metal, respectivamente. Actualmente slo son utilizados en aerogeneradores muy pequeos.

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GENERADORES ASNCRONOS DOBLEMENTE ALIMENTADOS: El rotor de la mquina se alimenta con un convertidor de frecuencia (AC/DCDC/AC) La velocidad de giro de la mquina puede variar en un amplio margen

GENERADORES ASNCRONOS DOBLEMENTE ALIMENTADOS: El rotor de la mquina se alimenta con un convertidor de frecuencia (AC/DCDC/AC) La velocidad de giro de la mquina puede variar en un amplio margen

CARACTERSTICAS DE LOS GENERADORES ELCTRICOSCARACTERCARACTERSTICAS DE LOS GENERADORES ELSTICAS DE LOS GENERADORES ELCTRICOSCTRICOS

PRINCIPIOS TECNOLGICOS DEAEROGENERADORESPRINCIPIOS TECNOLGICOS DEAEROGENERADORES

Velocidad y frecuencia variable generada depende de la velocidad de giro de la turbina elica

Necesidad de un sistema electrnico de conversin Adecuados para su utilizacin en emplazamientos aislados Posibilidad de suministrar energa activa y reactiva a la red Mayor eficiencia que los generadores asncronos Mayor coste que los generadores asncronos Mayor complejidad del sistema de excitacin de la mquina y regulacin

Velocidad y frecuencia variable generada depende de la velocidad de giro de la turbina elica

Necesidad de un sistema electrnico de conversin Adecuados para su utilizacin en emplazamientos aislados Posibilidad de suministrar energa activa y reactiva a la red Mayor eficiencia que los generadores asncronos Mayor coste que los generadores asncronos Mayor complejidad del sistema de excitacin de la mquina y regulacin

GENERADORES SNCRONOS:GENERADORES SNCRONOS:

Permite regular el par electromagntico y el factor de potencia del generador en un amplio margen de velocidades de giro

Permite un control de la energa activa y reactiva inyectada a la red similar al de los generadores sncronos,

La potencia del convertidor electrnico necesario es reducida (20 30% nominal)

Permite regular el par electromagntico y el factor de potencia del generador en un amplio margen de velocidades de giro

Permite un control de la energa activa y reactiva inyectada a la red similar al de los generadores sncronos,

La potencia del convertidor electrnico necesario es reducida (20 30% nominal)

Generador Transformador elctrico

A redRotor -Viento

p Caja multiplicadora de velocidad (

Velocidad del viento (rpm) Pitch (Angulo de las palas) (m/seg) Generador

1590 918 8

16f '\..f\ J \ 1"\ 1 'J'\:f 1560 7 61 '9-..........-........_._-"... _......_".".""...,,_.._.,,-._._..-...-... ---.-...--~~-Tiempo 1 S 3 O ._.".. _............

Tiempo 5 Tiempo

(kW) Potencia salida1700

1600 Tiempo

Fig VI.5.- Medidas de la velocidad del viento, velocidad del rotor, ngulo de las palas y potencia de salida

Modelo de distribucin de lneas en

un parque elico

! N

V

Centro T rofo 400 KV A A Centro T rofo 1000 KV A D

Torre onemomtrico O

Figura 4.14

Equipo de monitorizacin y adquisicin de datos

Comunicacin va modem

~

Ficheros datos funcionamiento

~ J

8 = O

Ordenador Ordenador remoto de parque

Figura 4.15

Niveles relativos de ruido 1',

;:.

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RUIDO PRODUCIDO POR UN AEROGENERADOR 400 m 300m 200m 1600 m 150m

36,9 dB(A) 39,4 dB(A) 42,9 dB(A) 44,7 dB(A} 45/3dB(A)

.i, NIVELES RELATIVOS DE RUIDO Donnitorio Casa

10 I 20 l 30 I:4I:;'", -, .. ,

Susurros oficina

Cada de hojas AERCGENERAOC>R Msica

Coche Industria

Taladrador neumtico Aviones

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Evolucin de las emisiones de gases de efecto invernadero en Espaa Consumo de energa primaria en Espaa (Variacin Porcentual respecto al ao anterior)

160

Petrleo Gas 49,6% f \ 19,9%

150 - .

Renovables140 y 5,7%

Carbn Nuclear' 130 - '14,6% ---'-------' '--------- 10,3%

Petrleo Gas 45,3'% J \ 24,9%

Renovables

~ .ii. """.C.,. c:::~ ~f~~lI~I~~~ Carbn .~ NI::::90 I I 2Z''&...... ) JJififI..>. I ,~.n I I I I I I I 8,5% .... .......... 9,2%1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999'2000 2001 2002 2003 2004 2005 2011*

*Proyeccin de emisiones Infografa ABe

Las emisiones contaminantes de Espaa

superan en un 37% el lmite de I{joto .

Este desfase podra costar a nuestro pas unos 6.000 millones de euros

FIGURE 04: Wind Energy Sector Employment (EU 2007-2030)

Annual capacity (MW) Cumulative capacity (MW) Employrnent

Onshore Offshore Total Onshore Offshore Total On$hore Offshore Total

170,667

.... ,;~i~~~~4$.. 328,690

377,244

Vb Ondulador

Id--L I Batera

Bussee

cargas baja podad

Suminisb"o AC220/380

cargas baja podad

, , I

Aerogenerador//

le

cargador Diesel

Suministro permanente

cargador Solar

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