Miguel Villarubia López - Ingeniería de la energía eólica

Ingeniería de la Energía Eólica

Miguel Villarrubia López

Facultad de Física - Universidad de Barcelona

Colección Nuevas energías, 5

Ingeniería de la Energía Eólica

Primera edición, 2012

© 2012 Miguel Villarubia López

© 2012 MARCOMBO, S.A.

Gran Via de les Corts Catalanes, 594

08007 Barcelona

www.marcombo.com

Diseño de la cubierta y maquetación: NDENU ESTUDI DISSENY GRÀFIC

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ISBN: 978-84-267-1856-3

D.L.:

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Printed in Spain

A mi hijo Javier

CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES

1.1. Introducción

1.2. Tipos de aerogeneradores eólicos

1.3. Sistemas de producción eoloeléctrica

1.4. Estado de la implantación de la energía eólica

1.5. La evolución de la energía eólica en el pasado y situación actual

CAPÍTULO 2. FÍSICA DE LA ATMÓSFERA: EL VIENTO

2.1. La atmósfera

2.2. Gradiente térmico vertical. Capas atmosféricas

2.3. La atmósfera estándar

2.4. Estabilidad de la atmósfera

2.5. Circulación atmosférica general

2.6. El viento

2.7. Variación del perfil vertical de velocidades del viento

2.8. Vientos originados por fenómenos particulares: vientos locales

2.9. Escala Beaufort

CAPÍTULO 3. MEDICIÓN Y TRATAMIENTO DE LOS DATOS EÓLICOS

3.1. Introducción

3.2. Velocidad del viento

3.3. Tratamiento estadístico del viento

3.4. Variaciones de la velocidad del viento

3.5. Medición de las magnitudes del viento

3.5.1. Medición de la velocidad del viento: el anemómetro

3.5.2. Medición de la dirección del viento: la veleta

3.5.3. Colocación de los instrumentos de medida

3.6. Clasificación de aerogeneradores según el tipo de viento

3.7. Formas de presentación de los datos de viento: velocidad y dirección

3.8. Aplicación de la estadística a cálculos eólicos

3.9. Tratamiento estadístico de los datos del viento

3.10. Distribuciones discretas y continuas de probabilidad

CAPÍTULO 4. CARACTERIZACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DEL VIENTO

4.1. Descripción estadística del viento: ley de Weibull

4.2. Ley de Rayleigh

4.3. Cálculo de los parámetros de Weibull

4.4. Variación de las características del viento con la altura

4.4.1. Rugosidad del terreno

4.4.2. Variación de la velocidad del viento estacionario con la altura

4.4.3. Variación de la velocidad media a largo plazo con la altura

4.4.4. Variación de los parámetros de Weibull con la altura

4.5. Influencia del relieve del terreno

4.6. Influencia de obstáculos

4.7. Estelas de los aerogeneradores

4.8. Potencia eólica disponible. Potencial eólico

4.8.1. Variación del potencial eólico con la altura respecto al suelo

4.9. Densidad de energía eólica disponible

4.10. Evaluación de recursos energéticos eólicos

4.11. Criterios generales para la selección de emplazamientos

CAPÍTULO 5. AERODINÁMICA DE LOS AEROGENERADORES

5.1. Introducción

5.2. Captación de la energía cinética del viento

5.3. Principios físicos de la aerodinámica del álabe

5.3.1. Capa límite

5.3.2. Separación o despegue de la capa límite. Formación de estelas

5.4. Fuerzas de sustentación y de arrastre

5.5. Perfil aerodinámico del álabe de un aerogenerador

5.6. Acción del viento sobre un perfil aerodinámico

5.7. Acción del flujo de aire sobre el rotor del aerogenerador

5.8. Potencia eólica extraída. Coeficientes de potencia y de par

5.9. Potencia eólica extraída máxima teórica. Límite de Betz

5.10. Flujo de potencias en un aerogenerador

CAPÍTULO 6. AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL Y AEROBOMBAS

6.1. Tipos de aerogeneradores

6.2. Aerogeneradores de eje horizontal

6.3. Aerogeneradores de eje vertical

6.3.1. Eólica de rotor de arrastre diferencial: rotor Savonius

6.3.2. Eólica de rotor de variación cíclica de incidencia: rotor Darrieus

6.4. Comparación entre aerogeneradores de eje horizontal y de eje vertical

6.5. Aerogenerador multipala de eje horizontal. Aeromotor de bombeo

CAPÍTULO 7. AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL PARA PRODUCCIÓN ELÉCTRICA

7.1. Introducción

7.2. Aerogeneradores de eje horizontal

7.2.1. Rotor

7.2.2. Góndola o chasis

7.2.3. Caja variadora de velocidad (gear box)

7.3. Generación eléctrica en un aerogenerador

7.4. Etapas de generación eléctrica en un aerogenerador

7.5. Consideraciones sobre los aerogeneradores de eje horizontal (HAWT)

7.6. Regulación y control de potencia y de velocidad

7.7. Configuraciones de aerogeneradores

7.8. Sistemas de orientación del rotor

7.9. Otros equipos y sistemas

7.10. Torres de sustentación

CAPÍTULO 8. LA GENERACIÓN ELÉCTRICA EN LOS AEROGENERADORES

8.1. Introducción

8.2. Generadores eléctricos en aerogeneradores

8.3. Interconexión del aerogenerador con la red

8.4. Conexión y desconexión con la red

8.5. Problemas en la interconexión del aerogenerador con la red eléctrica

8.6. Comportamiento del aerogenerador frente a huecos de tensión

8.7. Procedimiento de operación ante huecos de tensión

8.8. Organización del sistema eléctrico

8.9. Integración de la energía eólica en el sistema eléctrico

CAPÍTULO 9. CONFIGURACIÓN DE SISTEMAS EÓLICOS. PARQUES EÓLICOS

9.1. Configuraciones de un sistema eólico

9.2. Parques eólicos

9.2.1. Instalaciones eléctricas de baja tensión en cada aerogenerador

9.2.2. Centro de transformación de baja (BT) a media tensión (MT)

9.2.3. Red de media tensión (MT)

9.2.4. Subestación transformadora MT/AT y enlace con la red de AT

9.3. Disposición de los aerogeneradores en un parque eólico

9.4. Parques eólicos marinos (offshore)

9.5. Selección de emplazamientos para parques eólicos

CAPÍTULO 10. CÁLCULOS ENERGÉTICOS EN AEROGENERADORES

10.1. Consideraciones sobre la potencia de un aerogenerador

10.2. Curva de potencia – velocidad de un aerogenerador

10.3. Relación entre la potencia nominal y el diámetro del rotor

10.4. Cálculo del coeficiente de potencia a partir de la curva de potencia del aerogenerador

10.5. Coeficientes de par (Cm) y de potencia (Cp) en los HAWT rápidos

10.6. Cálculo de la energía producida por un aerogenerador

10.7. Coeficiente de potencia y rendimiento anual medios

10.8. Correcciones de la energía

10.9. Parámetros de funcionamiento de un aerogenerador

10.10. Cálculo del diámetro del aerogenerador

CAPÍTULO 11. ASPECTOS ECONÓMICOS Y MEDIOAMBIENTALES

11.1. Introducción

11.2. Análisis de viabilidad técnica y económica de un proyecto eólico