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CAPÍTULO 6 Recurso eólico y aprovechamiento
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CAPÍTULO 6Recurso eólico y aprovechamiento
MATERIAL DEL CAPÍTULO
Principal
Manwell, J. F., J. G. McGowan, A. L. Rogers. Wind Energy Explained. Theory, design and application.
Capítulo 1: Introduction, pp. 11-21.
Capítulo 2: Wind chracteristics and resources, pp. 23-87.
Capítulo 3: Aerodynamics of wind turbines, pp. 91-153.
Capítulo 6: Wind turbine materials and components, pp. 257-309.
De consulta
Burton, T., N. Jenkins, D. Sharpe, E. Bossanyi. Wind Energy Handbook.
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LAS PRIMERAS MÁQUINAS
Antes del siglo IX
El Rey Hammurabi (Babilonia, siglo XVII AC) planeaba usar molinos en su plan de riego en Mesopotamia pero se atribuye a Heron de Alejandría (siglo I AC) la construcción de la primera máquina.
Para el siglo IX DC en Mesopotamia había varias máquinas que se usaban para molienda y riego. Eran de eje vertical y principio de empuje.
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LAS PRIMERAS MÁQUINAS
Siglos XII a XVIII
En el siglo XII aparecen las primeras máquinas eólicas en Europa.
Eje horizontal y principio de sustentación para propulsión.
Principal fuente de energía en Europa hasta la Revolución Industrial.
Post mill Tower millSmock mill
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LAS PRIMERAS MÁQUINAS
Siglos XVIII y XIX
Avances en la medición del viento y en la evaluación científica del molino
Descubrimientos (John Smeaton, siglo XVIII)
Velocidad de punta de pala proporcional a la velocidad del viento (idealmente).
Torque máximo proporcional al cuadrado de la velocidad del viento.
Potencia máxima proporcional al cubo de la velocidad del viento.
Se estanca el desarrollo y utilización de grandes molinos.
El viento es reemplazado por el carbón (por su practicidad: despachable y transportable).
En el XIX aparece el molino de tipo americano
Extracción de agua (más aspas y autorregulación).
A fines del XIX surgen las primeras máquinas para generar electricidad en EE.UU y Dinamarca.
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LOS PRIMEROS GENERADORES EÓLICOS
Desarrollos en Estados Unidos
1888: Charles Brush construye el primer molino a escala residencial (Cleveland, USA).
144 aspas, torre de 20m, 17m de diámetro, 12 kW, baterías para almacenamiento.
No tuvo continuidad.
Le siguen varios desarrollos de pequeña escala, impulsados por M. Jacobs.
Sistemas con turbina y baterías a escala residencial.
La expansión de la electrificación rural marcó el final.
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LOS PRIMEROS GENERADORES EÓLICOS
Desarrollos en Dinamarca
1891-1908: Poul La Cour construyó más de 100 turbinas (20 a 35 kW).
Considerado como el “padre” de la energía eólica. Pionero en el desarrollo de aerogeneradores y en los estudios aerodinámicos (construyó su propiotúnel de viento).
Antes de la 2da guerra mundial empresas danesas desarrollaron turbinas en el rango de 30 a 60 kW.
En ese período, Johannes Juul erigió una turbina Gedser de 200kW en el sudeste de Dinamarca. Incluía control de potencia por pérdida (stall) y un generador de inducción de tipo jaula de ardilla.
Estos desarrollos fueron el corazón del liderazgo danés en energía eólica.
Gedser
200 kW
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LOS PRIMEROS GENERADORES EÓLICOS
Turbinas de alta potencia en Estados Unidos
A fines de los años ’30 se construyó una máquina Smith-Putnam de 1.25 MW y rotor de 53.3m de diámetro. Colapsó en 1945 y se abandonó el proyecto.
En 1960 resurge el interés buscando energías más limpias.
En 1970, la crisis del petróleo e incentivos financieros y regulatorios estimularon el desarrollo tecnológico. El DOE propulsó varios proyectos:
NASA MOD-0 (100kW, Φ38m)
BOEING MOD-5B (3.2MW, Φ98m)
BOEING MOD-5B
Smith-Putnam
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EVOLUCIÓN DE LOS AEROGENERADORES COMERCIALES
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SITUACIÓN ACTUAL
Aerogeneradores comerciales de alta potencia
Bahía Blanca, Arg.
Vestas V126 3.45MW
126-136 m rotor
Nordergründe, Mar del Norte,
Alemania.
Senvion 6.15MW
Aberdeen Bay, Escocia.
MHI Vestas 8.8 MW
160 m rotor
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Escalas de aerogeneradores
Tamaños y aplicaciones
(3-5) MW ( > 6 MW)
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SITUACIÓN ACTUAL
Potencia instalada
Es la fuente renovable (excluyendo la gran hidráulica) con mayor penetración en el mercado eléctrico.
Instalado en 2018: 53.9 GW (25.9 GW en China)
Total instalado: 539 GW (221 GW en China).
Fuente: World Wind Energy Association http://www.wwindea.org
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RECURSO EÓLICO
Importancia de conocer las características
Vital para
Diseño del sistema y selección de la turbina
Interesan velocidades medias, valores extremos, turbulencia, etc.
Determinar la mejor ubicación
La potencia depende del cubo de la velocidad del viento.
Evaluar el desempeño de la turbina
Energía generada (productividad) vs. costo.
Operar una granja o parque eólico
Manejo de la carga, mantenimiento de la turbina, vida útil, etc.
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RECURSO EÓLICO
Mecánica involucrada en el movimiento del aire
La energía es aportada por el sol
El movimiento del aire en la tropósfera (hasta ~12 km de altitud) se debe al calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por efecto del sol.
Esto causa variaciones en la presión atmosférica y el aire se mueve de las regiones de alta presión a las de baja presión (gradiente de presión).
El movimiento principal es horizontal ya que en la dirección vertical se cancela con la gravedad (equilibrio hidrostático).
Fuerza del gradiente de presión
Es perpendicular a las isobaras
Cuanto más juntas están las isobaras, mayor es el gradiente de presión y por lo tanto la fuerza también es mayor.
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pF
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RECURSO EÓLICO
Movimiento del aire en la dirección horizontal (cont.)
Fuerza de Coriolis
A medida que el aire toma velocidad (u), es desviado por la fuerza de Coriolis
Es una fuerza ficticia perpendicular a la dirección de movimiento del aire (hacia la izquierda del movimiento en HS, y hacia la derecha en HN).
La magnitud depende de la latitud y de la velocidad del viento u
Parámetro de Coriolis:
Viento geostrófico
Sobre los 1000 m de altura, el efecto del rozamiento del aire con la superficie es despreciable. Fp y Fc se compensan y el aire tiende a moverse paralelo a las isobaras (viento geostrófico) con magnitud
2 sen 1cF u f u m
1g
pu
f n
2 senf
15 / h : velocidad de rotación de la tierra 2cF m u
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Movimiento del aire en la dirección horizontal (cont.)
Viento de gradiente
El viento no siempre sopla en línea recta y con velocidad constante porque en general las isobaras no son rectas, ni se encuentran equiespaciadas.
En el HN sopla en sentido antihorario en torno a centros de baja presión (depresiones o ciclones) y en sentido horario en los de alta presión (anticiclones). En el HS se invierte el sentido.
El viento de gradiente es paralelo a las isobaras. Al ser curvas aparece una fuerza centrípeta de módulo
dirigida hacia el centro de rotación.
Su magnitud resulta del balance de fuerzas que se obtiene resolviendo
2 /gru R
21gr
gr
u pf u
R n
HN
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RECURSO EÓLICO
Movimiento del aire en la dirección horizontal (cont.)
Viento en bajas alturas
En la capa límite planetaria o capa de fricción (hasta ~1000m de altura) el movimiento es afectado por el rozamiento con la superficie terrestre.
La fricción reduce la velocidad del viento (respecto de la geostrófica) y por lo tanto también reduce la fuerza de Coriolis, produciendo un cambio en la dirección (espiral de Ekman).
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RECURSO EÓLICO
Movimiento del aire en la dirección horizontal (cont.)
Viento en bajas alturas (cont.)
Como resultado el viento sub-geostrófico sopla hacia las regiones de bajas presiones pero en direcciones que cruzan las isobaras con un ángulo promedio de 30° (en el mar es algo menor).
El viento sopla hacia el interior de las áreas de baja presión en sentido antihorario en HN (horario en HS) y hacia el exterior de las de alta presión en sentido horario en HN (antihorario en HS).
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RECURSO EÓLICO
Movimiento del aire en la dirección vertical
Se relaciona con los ciclones (L: baja P) y anticiclones (H: alta P)
El aire no se puede acumular en un centro de baja presión, y lentamente se eleva hasta ~6000 m donde comienza a dispersarse para equilibrar presiones.
Si el aire divergente en altura se equilibra con el convergente en la superficie, la presión en superficie no cambia.
Caso contrario, e. g. si el aire que diverge en las alturas es mayor al convergente, las isobaras se juntan y aumenta el viento en superficie.
Un razonamiento similar se aplica a los centros de altas presiones.
Normalmente la atmósfera está en equilibrio hidrostático (se compensa con la gravedad) y el aire asciende o desciende con velocidad relativamente baja (<10 cm/s).
El equilibrio o estabilidad se rompe en tormentas fuertes o tornados donde el aire alcanza velocidades verticales altas (5 o 10 m/s).
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Patrones de viento globales
Se obtienen al promediar el viento durante un tiempo largo
Los patrones locales se desvanecen y se observa el patrón global o de circulación general de la atmósfera.
En una ubicación dada el viento puede variar considerablemente respecto del global en el tiempo.
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Patrones de viento globales (cont.)
Modelo de tres celdas
Descripto por tres celdas convectivas que impulsan grandes masas de aire.
Regiones de baja presión en el Ecuador y lat. ±60°
Regiones de alta presión en los Polos y ± lat. 30°
Westerlies: vientos del oeste
Trade winds: vientos alisios
Horse latitude: latitud de los caballos
Doldrums: zonas de calmas ecuatoriales
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Patrones de viento globales (cont.)
Vientos del oeste y corrientes de chorro
Los vientos de altura en latitudes medias soplan de oeste a este.
En las regiones de convergencia se producen vientos concentrados en franjas angostas denominados corrientes de chorro (jet stream).
La velocidad supera los 100 nudos (180 km/h o 50 m/s).
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Patrones de circulación atmosférica de menor escala
El patrón global es válido en gran escala y condiciones ideales
Sobre la superficie terrestre el flujo de aire varía considerablemente por efecto de los océanos y de las grandes masas de tierra que producen variaciones en la presión, temperatura, humedad, etc.
Escalas de menor duración y extensión geográfica
Secundaria: huracanes, monzones, ciclones
Terciaria: tornados, tormentas, vientos de valles y montañas, Pampero, sudestada, Zonda, etc.
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Patrones de circulación atmosférica de menor escala
Razgos locales: brisas marinas y de valles
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Variabilidad temporal
Interanual (escala mayor al año)
Las variaciones de un año a otro pueden ser significativas debido a perturbaciones introducidas por fenómenos climáticos regionales, hemisféricos y globales tales como El Niño, La Niña, erupciones volcánicas, manchas solares, etc.
Estimar la variabilidad del recurso puede ser tan importante como estimar la velocidad media ya que puede afectar en forma significativa la producción de energía de un parque eólico durante toda su vida útil.
Para estimar el comportamiento a largo plazo en un sitio dado se necesitan varios años de registros (~30 años), y unos 5 años para tener una estimación confiable de la velocidad media.
En general, las variaciones estacionales o mensuales no pueden definirse en base a las medidas de un único año.
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Variabilidad temporal (cont.)
Estacionales y mensuales (escala menor o igual a un año)
Pueden existir variaciones significativas en la velocidad media del viento entre las diferentes estaciones y meses del año.
Por esta razón se necesita al menos 1 año de mediciones en el sitio, que deben ser corregidas con mediciones históricas del lugar para tener en cuenta la variabilidad interanual.
La dirección del viento también tiene variaciones estacionales.
En el año, la velocidad media puede caracterizarse medianteuna distribución de probabilidad.
La más utilizada es la distribución de Weibull.
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Variabilidad temporal (cont.)
Diarias (escala de 12 a 24 hs)
En latitudes tropicales y templadas, la variación de la velocidad del viento en el día puede ser importante, debido al calentamiento de la superficie por la radiación solar y las diferentes inercias de las superficies.
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Variabilidad temporal (cont.)
Escala de minutos y horas
En este rango temporal se producen variaciones tanto en la velocidad como en la dirección del viento que pueden ser aprovechadas por las turbinas.
Las de eje horizontal deben rotar cuando cambia la dirección del viento y ajustar el ángulo de ataque de las palas para extraer en forma eficiente la energía del viento.
Afecta las cargas sobre los componentes mecánicos y palas (fatiga y vida útil) y se deben considerar en el diseño y ubicación de la turbina.
Producen cambios rápidos en la potencia de salida y por lo tanto resulta de interés para los operadores de los sistemas eléctricos de potencia.
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Variabilidad temporal (cont.)
Ráfagas y turbulencia (segundos)
Se caracterizan por variaciones rápidas en la velocidad y dirección del viento.
Tienen efecto negativo sobre la producción de energía ya que las turbinas no las pueden seguir (muy rápidas) y por lo tanto no pueden convertir esta energía en electricidad. De hecho suelen disminuir la potencia de salida porque la turbina no tiene el ángulo de ataque o la orientación correcta.
La turbulencia influye en la fatiga de los materiales tanto de las palas como del sistema de orientación. El fabricante no garantiza el funcionamiento en condiciones de turbulencia mayores a las de diseño.
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Variabilidad temporal (cont.)
En el espectro frecuencial se pueden identificar claramente tres picos en diferentes escalas temporales (se tratan de manera diferente).
Sinóptico: se debe a patrones climáticos de gran escala (secundarios) y tiene un pico en torno a los 4 días.
Diurno: depende de la ubicación y está asociado a efectos térmicos locales.
Turbulencia: fluctuaciones muy rápidas.
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Variabilidad espacial
La velocidad del viento depende fuertemente de la topografía del lugar y de la cobertura del terreno.
La variación puede ser significativa para lugares relativamente cercanos como se muestra en la figura para dos sitios separados 21 km donde se observa una diferencia de 12% en la velocidad media.
Además, las granjas suelen tener dimensiones considerables (e.g. ~1500 ha 3.8 x 3.8 km para un parque de 100 MW y 29 turbinas) y los molinos están separados varios cientos de metros.
Para estimar la producción es necesario conocer cómo varía el recurso entre las turbinas. Esto es más difícil de establecer en terrenos complejos, como por ejemplo zonas montañosas.
Suelen utilizarse modelos para extrapolar las medidas. En terrenos complejos puede requerirse más de un mástil de medida.
También es importante determinar la variabilidad en altura o perfil vertical (wind shear). Normalmente se determina tomando medidas a diferentes alturas del mástil o con sensores remotos.
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