Miguel Villarubia López - Ingeniería de la energía eólica

El tamaño medio del parque eólico “tipo” es de unos 50 MW, con un número de aerogeneradores en el entorno de 30 a 40. Para favorecer los factores de economía de escala se tiende a parques de gran capacidad nominal instalada.

g) Parámetros económicos

A finales de la década del 2000, para parques eólicos terrestres (onshore), el coste unitario de la potencia instalada se sitúa entre 1.000 y 1.600€/kW del cual el aerogenerador representa de 900 a 1.300€/kW. La estructura de costes, aproximadamente es: 70% aerogenerador, 11% obra civil, 12% equipamiento e interconexión eléctrica y 7% varios. Los costes de operación y mantenimiento (O&M) se estiman de un 2 a un 3,5% anual de la inversión, lo que los sitúa en un intervalo entre 10 y 20€/MWh eléctrico producido.

El coste unitario de inversión en parques marinos ( offshore ) es mayor debido esencialmente a los costes de infraestructura, transporte e interconexión eléctrica. Se sitúa en el intervalo de 2.000 a 3.000€/kW.

h) Mejoras introducidas

Entre las mejoras alcanzadas en los últimos años en la tecnología eólica cabe señalar:

Aumento del tamaño de las máquinas. Actualmente se dispone de aerogeneradores de alrededor de 3 MW, y se espera en un futuro próximo la implantación de potencias unitarias de hasta 5 MW.

Desarrollo de aerogeneradores de velocidad variable que accionan alternadores síncronos multipolo. Este tipo de alternador genera tensión a frecuencia variable que posteriormente es transformada a frecuencia constante (50 o 60 Hz) mediante conversores de frecuencia de electrónica de estado sólido.

Modelos de aerogeneradores de paso variable y velocidad variable diseñados para distintas clases de viento (clases I, II y III).

Mejoras en los sistemas de transmisión del par mecánico entre el rotor de la turbina y el generador eléctrico. Se han desarrollado sistemas de transmisión en los que el eje solo transmite el par motor, derivando las cargas debidas a los momentos flectores a la estructura de la góndola.

Mejoras en el diseño estructural y optimización del uso de materiales para disminuir el peso de la máquina con aumento de resistencia frente a cargas estáticas y dinámicas.

Se ha iniciado el desarrollo e implantación de aerogeneradores marinos (offshore).

Se han mejorado los sistemas de protección frente a descargas eléctricas atmosféricas (rayos) y la operación en condiciones atmosféricas adversas: paradas por congelación, producción con vientos muy cálidos (t > 40ºC) y generación en ambientes salinos.

Mejoras en el diseño de las torres para facilitar su transporte y montaje.

Adaptación a los requisitos de conexión con la red eléctrica (estabilidad transitoria, controles de tensión, de frecuencia, de potencias activa y reactiva, comportamiento frente a huecos y calidad de onda producida).

Avances significativos en la predicción de la producción eólica a corto plazo para cumplir exigencias de entrega de potencia y energía a la red eléctrica.

Mejora de operaciones de mantenimiento. Mayor presencia del mantenimiento remoto.

Elaboración de normas técnicas y procesos de certificación por terceros

Entre las tecnologías eólicas de los generadores eléctricos en máquinas eólicas, desarrolladas los últimos años cabe citar como más significativas:

a) La de accionamiento directo entre el rotor eólico y el generador síncrono (máquina sin caja multiplicadora) conocida como tecnología Direct Drive . La excitación se realiza mediante imanes permanentes. Se la conoce comercialmente también como tecnología Enercon. Como ventajas más relevantes presenta la supresión de la multiplicadora ( gear box ), la reducción de esfuerzos mecánicos, menor mantenimiento y aumento de la disponibilidad. En contrapartida la baja velocidad de giro del alternador hace que el par sea más elevado y los componentes del mismo más voluminosos y pesados, aumentando su coste.

b) Generador síncrono con excitación externa y con Full Power Converter . La excitación se realiza a través de los devanados del rotor. Presenta una respuesta correcta a los requisitos de la red y frente a huecos de tensión, así como una buena capacidad de generación de reactiva. Puede trabajar en condiciones inestables de red sin desconectar. Como contrapartida presenta un generador más pesado con un mayor cose de inversión, pérdidas en el Full Power Converter y un aumento en el equipamiento electrónico del sistema.

c) Generador asíncrono o de inducción con rotor doblemente alimentado. Presenta un mejor comportamiento frente a la demanda de reactiva que el rotor simple de jaula de ardilla, una mejor regulación y una mejor respuesta frente a huecos de tensión y otras incidencias de la red. En contrapartida requiere una mayor complejidad en su sistema de regulación y control, y es de mayor coste.

2.1. La atmósfera

La atmósfera es la capa gaseosa que envuelve la Tierra. Su espesor es pequeño. El 99% de la masa atmosférica se concentra en los primeros 30 km de altura (un 0,5% del radio terrestre). El aire es una mezcla de gases que además contiene partículas sólidas y líquidas (aerosoles) en suspensión en cantidad y composición variable.

Los gases que forman la atmósfera se clasifican en:

Gases permanentes: su proporción se mantiene prácticamente constante. Son el nitrógeno, oxígeno, gases nobles e hidrógeno.

Gases en proporciones variables: dióxido de carbono, vapor de agua y ozono.

Las partículas sólidas y líquidas más importantes son cristales de hielo y microgotas de agua (nubes, nieblas y brumas). Otras partículas son polvo, polen, etc. La composición del aire hasta una altura de unos 100 km se muestra en la tabla 2.1

Tabla 2.1. Composición del aire en la atmósfera hasta una altura de unos 100 km.

Se puede admitir que el aire seco se comporta como una mezcla de gases ideales. Sus propiedades vienen dadas en la tabla 2.2.

Tabla 2.2. Propiedades termodinámicas del aire seco

La densidad del aire seco se calcula por la ecuación de gases ideales:

En donde, ρ: densidad (kg/m 3); p: presión absoluta (Pa); T: temperatura (K); R’: constante del gas (tabla 2.2).

Ejemplo 2.1

Calcular la densidad del aire seco para una presión atmosférica de 990 mbar y temperatura 25ºC y compararla con la correspondiente a las condiciones estándar (presión atmosférica normal a nivel del mar 1.013,25 mbar y temperatura 15ºC).

Solución

Para 990 mbar y 25ºC resulta:

Para 1013,25 mbar y 15 ºC se obtiene:

Obsérvese el efecto de la presión y de la temperatura sobre la densidad del aire. La potencia del viento captada por un aerogenerador es directamente proporcional a la densidad del aire, por lo que cuanto más frío esté y mayor sea la presión atmosférica, para una misma velocidad de viento, la energía eólica extraída será mayor.