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Energía eólica

La energía eólica es la obtenida de las corrientes de aire, y que se tranforma en electricidad mediante aerogeneradores.

La energía eólica ha sido aprovechada desde la antigüedad para mover barcos de velas, mollinos de aspas, e incluso sistemas de bombeo

Los actuales sistemas eólicos de generación de electricidad están en contínua evolución, no sólo por las potencias que desarrollan (hasta 7 MW), sino también por la eliminación de transitorios en la señal eléctrica generada, no todos, que limita su mezcla en redes eléctricas convencionales a un 15%.

Es la forma de energía alternativa implantable en cualquier parte del mundo y la más interesante, siempre en continua expansión.

En la actualidad, parques eólicos de hace unos pocos años (muchos aerogeneradores de baja potencia), se están sustituyendo por aerogeneradores de mucha mayor potencia y señal eléctrica de mejor calidad 

  

01 Fuentes eólicas
Antecedentes históricos
Circulación general. Tipos de vientos
Velocidad del viento. Ley exponencial de Hellmann
Energía útil del viento
Curvas de potencia
Representación estadística del viento. Distribuciones de Rayleigh y Weibulll

  

02 Fundamentos aerodinámicos de las máquinas eólicas
Fuerzas sobre un perfil
Polar de un perfil
Fuerzas de arrastre y ascensional en perfiles fijos
Acción del viento sobre el perfil, potencia y rendimiento
Nomenclatura de perfiles
Fuerzas de arrastre y ascensional en perfiles móviles
Fuerzas de par y axial. Par motor
Rendimiento aerodinámico de las hélices
Potencia y par motor máximos
Modelo teórico de Betz
Rotor multipala. Fuerza axial de una hélice multipala
Cálculo de la fuerza de par y del par motor
Teoría turbillonaria de hélices eólicas
Optimización de una central eólica

  

03 Cargas, orientación y regulación
MMáquinas eólicas de eje horizontal y de eje vertical
Aerogeneradores de eje horizontal. Cargas que actúan sobre el rotor. Vibraciones
Materiales de construcción
Dimensionado de las palas
Sistemas clásicos de regulación de la velocidad de giro
Mecanismos de orientación
Tendencias actuales en el diseño de la altura de la torre y diámetro del rotor
Torres flexibles y torres rígidas
Tendencias actuales en el diseño del aerogenerador: Paso variable y paso fijo. Velocidad variable y velocidad fija. Deslizamiento variable
Velocidad variable con generador de inducción doblemente alimentado
Velocidad variable con generador síncrono multipolo.

  

04 Parámetros de diseño
Parámetros prácticos utilizados en el diseño de máquinas eólicas
Relación de velocidad periférica TSR.
Relaciones prácticas entre Cx y Cy
Factor de actividad
Rendimiento aerodinámico
Coeficiente de par
Dimensionado de un rotor eólico: Área frontal barrida por la pala, tamaño de las palas (coeficiente de solidez)
Resistencia aerodinámica del rotor: Fuerza centrífuga
Resistencia aerodinámica de la pala: Momento flector de la pala
Momento de torsión del eje de giro
Diseño y cálculo simplificado de aerogeneradores eólicos rápidos de eje horizontal: Diámetro del rotor, Acoplamiento rotor eólico-generador eléctrico, Solidez y número de palas, Perfil de la pala
Cálculo del coeficiente ascensional máximo
Longitud de la cuerda, y cálculo de la relación (R/L) de la pala
Corrección del ángulo de incidencia
Cálculo del ángulo de calaje
Diseño y cálculo simplificado de aerogeneradores eólicos lentos de eje horizontal.- Molinos multipala
Descripción y posibilidades de los aerogeneradores de eje vertical: Anemómetros, Aerogeneradores Savonius y Darrieux
Otros tipos de máquinas eólicas: Difusores, Alas delta, Generador Andreu-Enfield, Sistemas tipo tornado, Chimenea eólico-solar, Rotor Savonius con difusor

  

05 Prototipos históricos de los aerogeneradores americanos y europeos
El programa americano:
Aerogenerador Smith-Putnam de 1,25 MW
Aerogenerador eólico de 6,5 MW de Percy Thomas
Aerogenerador experimental MOD 0 de 100 kW
Aerogenerador MOD 1 y MOD 2
Aerogeneradores experimentales de 4, 6,2 y 7,5 MW
Finlandia, Rusia, Hungría, Holanda, Italia, Suecia
Dinamarca: Aerogenerador de Tvind, NIBE, Volund, Kurian, Holger Danske y Dansk Vindkraít
Alemania: Aerogeneradores Growian de 265 kW y 3 MW
Francia: Aerogenerador Andreau Enfield, Best Romani de Noi-le-Régent de 800 kW, Neyrpíc de 132 kW y de 800 kW de St. Rémy des Landes (Manche), Aerowatt , Enag y Aeroturbine
Inglaterra: Aerogenerador de Smith (Isla de Man), Aerogenerador de 3,7 MW en las islas Orkney
España: Actualización al año 2000. Parques eólicos de La Muela (Zaragoza), Estaca de Bares (La Coruña), Cabo Creus (Gerona), Monte Ahumada (Cádiz), Cabo Villano
Aerogenerador AE20.
Condiciones de venta a la red
Proyectos utópicos, Heronemus, Edgar Nazare, Aurora, Heidmann, Valioukine, Obert, Herter

  

06 Aerogeneradores modernos
Opciones de diseño en generadores y conexión a red
Opciones de velocidades del generador: Velocidad constante, Velocidad prácticamente constante y Velocidad variable.
Sistema de refrigeración
Sistemas de control. Velocidad de la aeroturbina:
- Funcionamiento por variación del ángulo de paso ("Pitch control")
- Control por pérdida aerodinámica (“Stall control”)
- Control activo por pérdida aerodinámica (“Active stall control”)
Control de la potencia
Aerogeneradores de velocidad constante. Comportamiento respecto a la red
Aerogeneradores de velocidad variable:
- Con control pitch, equipados con generador asíncrono de rotor devanado y convertidor electrónico entre el rotor y la red. Comportamiento respecto a la red
- Con control de paso de pala, equipados con generador síncrono, acoplados directamente al eje de la turbina ó a través de una caja multiplicadora. Comportamiento respecto a la red
Conexión rotor-alternador
Sistemas de conexión a la red:
- Conexión indirecta de aerogeneradores a la red
- Generación de corriente alterna (AC) a frecuencia variable
- Conversión a corriente continua
- Conversión a corriente alterna de frecuencia fija
- Filtrado de la corriente alterna
- Ventajas de la conexión indirecta a red; velocidad variable
- Desventajas de la conexión indirecta a red
Comportamiento ante los huecos de tensión: Generador jaula de ardilla, Generador asíncrono doblemente alimentado y Generador síncrono de velocidad variable
Otros componentes: Controlador electrónico de la turbina eólica, Comunicación con el exterior, Comunicaciones internas, Mecanismos de autoprotección, Estrategias de control, Control de la calidad de la potencia en aerogeneradores, Control de la potencia reactiva, Compatibilidad electromagnética
Anexos:
Aeroturbinas con generadores síncronos, Sistema de acoplamiento directo aeroturbina-generador síncrono, Cambio de la velocidad de rotación del generador
Aeroturbinas con generadores asíncronos (inducción): El rotor de jaula de ardilla, como motor y como generador, Deslizamiento del generador. Cambio del número de polos del generador. Generador de número de polos variable, dos velocidades. Generadores de deslizamiento variable
Nomenclatura y esquemas eléctricos y electrónicos

  

07 Parques eolicos
Concepto de parque eólico
Impacto ambiental de los aerogeneradores eólicos:
Efectos meteorológicos sobre el microclima, Efectos sobre la fauna y flora, Ruido, Interferencias con ondas de televisión y radiocomunicaciones, Consumo de energía, Seguridad y utilización del terreno, Protección contra el rayo
Formas de conexión de parques eólicos a la red eléctrica:
- Aerogeneradores con máquina de inducción doblemente alimentada y red de MT
- Aerogeneradores con máquina de inducción y compensación de reactiva centralizado
- Aerogeneradores con control de velocidad individual a través de una red interna de continua
- Aerogeneradores sin control de velocidad individual con una red interna de continua
Efectos de la conexión de un parque eólico a la red eléctrica
Variación de la tensión en la conexión de los aerogeneradores
Parques off-shore
Aerogeneradores flotantes

  

08 Evolucion de los molinos eólicos 

  

09 Indice eólica

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