Embed Size (px)
Citation preview
POTENCIAL EÒLIC DELS AEROGENERADORS I
APLICACIONS
Miguel Moreno Yerro
INSTITUT EL CALAMOT
Tutor: Jordi Farrés Costafreda
2
ÍNDEX
Pàg.
0. Introducció..........................................................................................................4
1. Introducció temàtica .........................................................................................6
1.1. Formes i fonts d’ energia ..........................................................................7
1.1.1. Formes d’energia ..............................................................................7
1.1.2. Fonts d’energia primària...................................................................8
1.1.3. L’energia disponible .........................................................................9
2. Historia de l’energia eòlica..............................................................................12
2.1. Les primeres màquines eòliques.............................................................12
2.1.1. Els molins europeus.........................................................................12
2.1.2. Els aeromotors de la revolució industrial......................................13
2.1.3. Tecnologies del segle XX.................................................................13
2.2. Nova generació de sistemes de conversió d’energia eòlica.................14
2.3. Orígens del desenvolupament de la energia eòlica a Espanya............15
3. Origen del vent..................................................................................................17
3.1. Circulació planetària .................................................................................18
3.2. Circulació a escala local............................................................................19
4. Màquines de generació d’electricitat “aerogenerador”...............................21
4.1. Principis funcionals...................................................................................21
4.2. Configuració mecànica d’un aerogenerador...........................................23
4.2.1 Components d’un aerogenerador..........................................................24
5. Avaluació del recurs eòlic...............................................................................28
5.1. Paràmetres estadístics...............................................................................28
5.1.1. Valor mitjà anual de la velocitat......................................................28
5.1.2. Rosa dels vents................................................................................28
5.1.3. Períodes de calma............................................................................30
5.1.4. Perfil vertical del vent ......................................................................30
5.1.5. Mesurament i avaluació del recurs eòlic........................................31
5.2. Distribució de la probabilitat de la velocitat del vent...............................33
5.2.1. Distribució de Weibull......................................................................33
5.2.2. Mètode per determinar els paràmetres c i k. .................................36
5.2.3. Aplicacions de la distribució de Weibull........................................37
3
6. Energia continguda en el vent. El límit de Betz.................................................38
6.1. Teoria de la quantitat de moviment...............................................................38
6.1.1. Hipòtesis...............................................................................................38
6.1.2. La potència del vent.............................................................................39
6.1.3. Esquema del fenomen físic per a la teoria de quantitat de
moviment.................................................................................................40
6.1.4. Equacions.............................................................................................42
6.1.5. Màxima potència extraïble per a una velocitat 1v donada...............44
6.2. Coeficient de potència. Límit de Betz............................................................46
6.3. Límit de Betz....................................................................................................47
6.4. Limitacions de la teoria de quantitat de moviment......................................47
7. Estudi de sensibilitat de la producció energètica d’un aerogenerador...........48
8. Tecnologia de petits aerogeneradors per a sistemes aïllats de la xarxa ........50
8.1. Sistema de regulació de velocitat .................................................................51
8.2. Sistema de frenada..........................................................................................52
8.3. Sistema d’orientació........................................................................................52
8.4. Utilitats .............................................................................................................52
8.5. Eficiència..........................................................................................................53
9. La xarxa i l’emmagatzematge ..............................................................................54
9.1. La Xarxa............................................................................................................54
9.2. Tipus de sistemes d’emmagatzematge.........................................................55
9.2.1. Bombeig hidràulic:...............................................................................55
9.2.2. Emmagatzematge d’energia amb aire comprimit:.............................55
9.2.3. Superconductors magnètics SME......................................................56
9.2.4. Emmagatzematge d’energia en bateries............................................56
9.2.5. Hidrogen................................................................................................57
10. Conclusions...........................................................................................................58
11. Bibliografia.............................................................................................................59
12. Annexos..................................................................................................................61
4
0. Introducció
La meva motivació per la realització d’aquest treball va sorgir en el moment que
fa un temps vaig decidir que volia estudiar una enginyeria relacionada amb
energies renovables. Aquest interès es va despertar en mi fruit de la situació
actual del món sobre la manera de produir energia, no obstant, tenim recursos
necessaris i permanents que en un futur hauran de ser la base d’aquest
consum energètic. Aprofitant la sort que tenim a Espanya de ser el segon país
d’Europa líders en producció d’energia eòlica, vaig veure una oportunitat
favorable d’encaminar la meva investigació per aquest camí.
Una de les primeres curiositats que tenia sobre aquesta forma de generació
d’energia, era el fet d’esbrinar de quina manera l’aerogenerador era capaç
d’aprofitar l’energia cinètica del vent. A més a més de ser conscient de quin lloc
és l’idoni per a la construcció d’un parc eòlic, i quines eren les seves utilitats.
Finalment, vaig plantejar els meus objectius, que es basaven en fer un
diagnòstic sobre quina era la quantitat màxima d’energia que un aerogenerador
era capaç d’aprofitar, seguit de l’estudi d’un emplaçament i extreure’n el seu
potencial eòlic i per últim analitzar quines eren les principals aplicacions d’un
aerogenerador.
El meu treball de recerca ha estat limitat per un seguit d’aspectes com el
moment cinètic o la teoria de pala, que donades les seves dificultats
matemàtiques, m’han resultat molt difícils d’analitzar. D’altra banda, hi ha hagut
alguns aspectes deixats al marge com l’energia eòlica off-shore degut a
l’extensió que hagués significat.
Per a la realització d’aquesta investigació he hagut de necessitar una sèrie
d’eines que m’han permès dur a terme totes les etapes del treball amb èxit. En
un començament, gràcies a l’anemòmetre he pogut captar les diferents
velocitats del vent d’un emplaçament durant un període de tres mesos. A
continuació, per fer totes les mesures corresponents del corrent elèctric que
precisava l’aerogenerador, he fet ús de diferents polímetres. Els valors
5
obtinguts m’han possibilitat la demostració pràctica de la teoria analitzada, i la
posterior representació de les dades.
Durant tot el procés de recerca, me trobat amb alguns problemes com per
exemple, el càlcul de la intensitat d’un circuit de corrent continua, ja que les
eines de les quals m’he pogut abastir no em permetien fer-ne el càlcul si no
introduïa una resistència al circuit. Aquesta resistència es clar, feia disminuir el
valor de la intensitat màxima produïda per l’aerogenerador. A més, els aspectes
meteorològics, també m’han limitat en el sentit que els dies que no bufava
suficient vent m’ha resultat impossible la realització d’experiments.
Finalment voldria agrair al Centre Nacional d’Energies Renovables per la seva
aportació d’un llibre d’energia eòlica que m’ha facilitat tota la recerca.
6
1. Introducció temàtica
L'ésser humà, a través de la seva història, ha hagut de cobrir la necessitat de
realitzar treballs per sobreviure, per vèncer els fenòmens de la natura i per
millorar la seva qualitat de vida.
Per a la realització de qualsevol treball cal consumir energia, el seu consum
està present en tota activitat personal i social; en l'alimentació, el transport, la
construcció d'infraestructures, edificis i habitatges, la fabricació de béns
d'equip, màquines, aparells, etcètera, de manera que tot això funcioni amb
eficàcia i confort s'aconsegueix gràcies a l’ "ús d'energia".
Aquest terme el definim com a magnitud física gràcies a la qual els cossos
tenen capacitat per realitzar transformacions en ells mateixos o en altres
cossos.
És important aconseguir un "ús racional de l'energia", per això es citen, entre
altres, les següents recomanacions:
a) Aprofitar i emmagatzemar en el possible els recursos de la Natura
amb l'energia produïda per l'aigua, el sol i el vent.
b) Transformar l'energia emmagatzemada per la pròpia naturalesa en els
productes com el carbó, el petroli, l'urani i altres.
c) Estudiar i perfeccionar els sistemes que consumeixin energia,
desenvolupant i inventant màquines que tinguin cada vegada millors
rendiments.
Són moltes les maneres d'estalviar energia però sempre són de sentit comú i
representen un major nivell de confort, més seguretat en la prevenció
d'accidents i també un important estalvi econòmic tenint en compte que
l'energia és una necessitat imprescindible que l'home actual no ha malbaratar
però sí obtenir amb major rendiment.
7
Segons la coneguda primera llei de la termodinàmica, l'energia ni es
crea ni es destrueix, només es transforma, per exemple;
L'energia emmagatzemada en un gram de combustible pot fer girar les rodes i
moure un vehicle diversos metres al combustionar, el que equival a transmetre
en forma de treball útil.
Durant la combustió també es produeix certa transferència d'energia en forma
de calor, que eleva la temperatura de les peces internes del motor (increment
d'energia tèrmica).
La suma de les energies que apareixen en forma de: moviment + energia
tèrmica + energia dels residus de la combustió, és exactament la mateixa que
estava emmagatzemada en el combustible.
Per tant, hem de recórrer a les diferents fonts d'energia que es comporten com
a grans dipòsits que permetin atendre l'enorme demanda de transformació i ús
que requereix la societat actual.
1.1. Formes i fonts d’ energia
1.1.1. Formes d’energia
a) Energia mecànica:
La posseeixen els cossos pel fet d'estar en moviment (cinètica),
per trobar-se a una determinada altura sobre la superfície de la
terra (potencial) o per la deformació que han experimentat
(elàstica)
8
b) Energia elèctrica:
L'energia elèctrica és una font d'energia que s'obté mitjançant el
moviment de càrregues elèctriques (electrons positius i negatius)
que es produeix a l'interior de materials conductors.
c) Energia nuclear:
Procedeix de les reaccions nuclears de fusió i de fissió. En
aquestes reaccions, una part de la massa dels nuclis es
converteix en aquesta forma d'energia.
d) Energia tèrmica:
És la forma d'energia que flueix d'un cos a un altre quan entre
ells hi ha una diferència de temperatura. Produeix efectes com
ara variacions de temperatura, canvis d'estat o dilatacions.
e) Energia química:
La tenen tots els compostos existents a la natura, a causa de
l'energia dels seus enllaços. Es posa de manifest en les
reaccions químiques que es produeixen tant en la matèria inert
com en els éssers vius.
f) Energia radiant:
És la que posseeix una radiació electromagnètica. L'energia
solar és la més important, perquè proporciona la majoria
d'energia de què disposa la Terra.
9
1.1.2. Fonts d’energia primària
Són recursos energètics que es troben directament en la Naturalesa i
no han estat sotmesos a cap procés de transformació. Procedeixen
fonamentalment, per ordre d'importància, del Sol, dels nuclis atòmics
d'alguns elements químics (urani, plutoni), de l'acció gravitatòria Terra-
Lluna i de la calor acumulada a l'interior de la Terra.
1.1.2.1. En funció de la seva disponibilitat a la Naturalesa les
fonts d'energia primària es classifiquen en:
1) Fonts no renovables:
Són recursos energètics formats durant milions d'anys,
emmagatzemats en el globus terrestre i que un cop consumits
no tornen a regenerar-se, pel que tendeixen a ser esgotables.
Els principals són petroli, carbó, gas i urani.
2) Fonts renovables:
Són recursos energètics que es regeneren contínuament en
funció del seu consum, són pràcticament inesgotables, i les
principals són les fonts d'energia hidràulica, eòlica, solar i
biomassa.
1.1.3. L’energia disponible
És la que consumim cada dia en habitatges, indústries o transports.
Poden ser els derivats del petroli (gasolines, gasoils, querosè, butà,
propà ...), el gas natural i l'energia elèctrica.
10
El seu ús permet arribar a ser transformada en les tres formes
possibles d'energia lluminosa, mecànica i tèrmica, sent possible al seu
torn convertir cadascuna d'elles en qualsevol de la dues.
Figura 1. Classificació dels tipus d’energia
La segona crisi internacional del petroli ha estat el punt de partida per
al desenvolupament de les energies renovables a nivell internacional.
A Europa, per a reduir la dependència energètica exterior de la U.E i
lluitar contra el canvi climàtic, la Comissió Europea ha elaborat
l’anomenat paquet 20-20-20 on es fixen els següents objectius per a
l’any 2020:
L’energia primària ha de procedir de fonts renovables fins a
assolir un 20% del consum total.
Reduir la emissió de gasos de efecte hivernacle un 20%
respecte als nivells del 1990.
Aconseguir una millora de la eficiència energètica del 20%.
A Espanya la política energètica que dóna suport al futur del sector la
formen tres lleis bàsiques:
11
El pla d’energies renovables 2011-2020.
La llei d’Eficiència Energètica i Energies Renovables.
La llei d’Economia sostenible.
Enmig d’aquest procés regulador s’obre pas l’energia eòlica.
12
2. Historia de l’energia eòlica
La primera referència escrita fiable sobre els enginyers eòlics es troba a l’antiga
Persia Oriental. A mitjans dels segle Vll dC començà el desenvolupament dels
molins de vent.
2.1. Les primeres màquines eòliques.
Els primers molins d’eix vertical van aparèixer molt abans que els d’eix
horitzontal. Alguns d’aquests dissenys eren mecànicament ineficients.
Des de temps immemorials, a la Xina utilitzaven uns molins de vent
anomenats panèmones per a bombejar aigua en les salines. Eren d’eix
vertical i les seves pales estaven constituïdes a base de teles subjectades a
un travesser de fusta.
2.1.2. Els molins europeus
Hi ha una gran distància entre les escasses dades quant als molins
perses i els anomenats molins europeus amb veles muntades en un eix
vertical.
Els primitius molins d’eix horitzontal tenien una sèrie de lones
disposades al llarg d’una estructura de fusta que s’havia d’orientar cap al
vent incident.
Els molins de bombament utilitzats a Holanda des de 1430 en la
dessecació dels pòlders responien a un esquema precís: la base era de
maó o pedra, i damunt d’ella la torre de fusta. Les aspes podien arribar
fins als 30 m de diàmetre i desenvolupaven una potència d’uns 10kW.
El segle XVll és un segle de grans avenços científics i tecnològics. No
obstant, en aquell temps els molins eren encara poc coneguts encara
després de les millores en el disseny i construcció, i en els sistemes
d’orientació i regulació.
Els molins de vent manxecs, responen al tipus de molí mediterrani.
Estan formats per una torre de pedres i tova. Sobre la torre, una teulada
13
cònica, i a l’interior tota la maquinària. El rotor es compon de quatre
pales fabricades amb un entramat de fusta, recobertes de tela.
Els molins de La Manxa es van introduir a mitjans del segle XV i van
estar en servei fins al voltant del segle XX.
Els molins de vent van evolucionar en el seu desenvolupament fins a
mitjans dels segle XlX, introduint-se continues millores.
2.1.3. Els aeromotors de la revolució industrial
Les primeres bombes eòliques apareixen als Estats Units al 1854. Són
rotors de múltiples àleps acoblats a una bomba de pistó a través d’un
sistema de biela-maneta.
La mida mitjana d’aquests multi pales era d’uns 3m de diàmetre i un
número de pales que oscil·laven entre 18 i 24.
El seu disseny senzill presentava grans avantatges, facilitat d’operació,
manteniment i reparació.
2.1.4. Tecnologies del segle XX
Les bombes eòliques no oferien massa interès per la qual cosa l’única
manera de continuar utilitzant-les era reconvertir els vells molins de
forma que poguessin produir electricitat.
En 1890, Lacour va acabar dissenyant el primer prototip de generador
elèctric. La màquina utilitzava un rotor quadri-pala de 25m de diàmetre,
amb una torre de 24m d’alçada i produïa entre 5 i 25 kW.
D’altra banda, la teoria aerodinàmica estava encara insuficientment
desenvolupada, seguien utilitzant els rotors clàssics de baix rendiment,
amb sistema de regulació de persiana.
La teoria aerodinàmica desenvolupada durant les primeres dècades del
segle XX, va permetre comprendre la naturalesa i el comportament de
les forces que actuen al voltant de les pales de les turbines.
14
Betz va demostrar en 1927 que cap sistema eòlic podia recuperar més
del 60% de la energia cinètica continguda al vent.
Als anys 20 es va començar a aplicar als rotors eòlics els perfils
aerodinàmics que havien estat dissenyats per a ales i hèlixs d’avions. En
1927, A. J. Dekker va construir el primer rotor proveït de pales amb
secció aerodinàmica.
Com a conseqüència de l’aplicació d’aquests nous desenvolupaments va
sorgir als anys vint una nova indústria en relació als aerogeneradors.
Durant aquest període van sorgir diversos avenços com el primer
aerogenerador de potència superior a un megawatt, el Smith-Putnam, el
1941. Aquest aerogenerador constava de dues pales disposades a
sotavent.
Després de la crisi energètica de 1973, els estats units va iniciar un
programa d’investigació i desenvolupament que suposaria els orígens de
la tecnologia actual. Els resultats més notables d’aquest pla
d’investigació fou la instal·lació en 1975 de l’aerogenerador MOD-0 de
100kW de potència nominal, i el MOD-5B de 3,2 MW i 100m de
diàmetre al 1987.
2.2. Nova generació de sistemes de conversió d’energia
eòlica
L’evolució que ha experimentat la tecnologia d’aprofitament de l’energia
eòlica per a la producció d’energia elèctrica en les dos últimes dècades, ha
estat un camí essencial basat en la optimització dels desenvolupaments
tecnològics existents als anys vuitanta. Per altra banda, l’increment de
número d’unitats fabricades ha influït notablement en la disminució de
costos. També hi ha hagut una disminució d’aquests degut al pas de la
producció artesanal a producció en sèrie.
Com a conseqüència d’aquest fet, s’ha produït un increment de la mida
unitària dels aerogeneradors, passant d’aerogeneradors de 100kW de
15
potència nominal i 20m de diàmetre, als actuals aerogeneradors en l’entorn
de 2MW i 60-80m de diàmetre.
2.3. Orígens del desenvolupament de l’energia eòlica a
Espanya
Amb la creació de la Comissió Nacional d’Energia Eòlica es va iniciar el
desenvolupament de l’energia eòlica al nostre país.
Uns dels fets importants que es van desencadenar van ser per exemple, el
ressorgiment dels primers mapes eòlics, o la proclamació del fabricant
d’aerogeneradors més antic d’Espanya amb una oferta de cinc models
diferents des de 500W, a 1836W, amb sortides de 12, 24, 36 i 125 volts.
La fase de desenvolupament de l’energia eòlica a Espanya es va iniciar en
la pràctica amb la instal·lació en Tarifa, en 1981, d’un prototip d 100kW. A
més, des de 1981 a 1986 es van portar a terme desenvolupaments
tecnològics d’instal·lacions de màquines de petita i mitjana potència.
A començaments dels anys 90, es va disposar d’una capacitat tecnològica i
de fabricació que impulsà el desenvolupament de la tecnologia nacional,
fins a atènyer el lloc que en la actualitat manté dintre del mercat mundial.
Això va ser gràcies a una sèrie d’accions en el desenvolupament tecnològic
de l’energia eòlica en Espanya com per exemple:
En la dècada dels vuitanta, construcció i assaig d’un generador de
100kW, que va ser posat en marxa en 1985.
En 1982, el Centre de Desenvolupament Tecnològic Industrial va
crear un crèdit especial per al desenvolupament de màquines
eòliques per a les pymes.
En 1984 s’inicià la construcció del primer parc eòlic espanyol, el Parc
de l’Empordà instal·lant cinc aerogeneradors PEUI-10, que al mateix
temps va ser el segon parc eòlic d’Europa per darrere del de Grècia
que produïa un total de 100kW.
La realització del projecte AWEC-60 (Advanced WindEnergy
Converter 60m diameter, 1200kW) que CIEMAT (Centre
16
d’Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques) va
realitzar juntament amb Union Fenosa, després que Espanya
s’incorporés a la Unió Europea. Va ser el primer aerogenerador de
potència nominal superior al megawatt desenvolupat i instal·lat a
Espanya.
El desenvolupament de pales de 30 metres.
Als anys noranta van emergir empreses com Gamesa Eòlica, Acciona
WindPower, Alston-Ecotecnia, LM Spain, Ingeteam, etc., que amb la seva
contribució van aconseguir situar el nostre país liderant el sector de
l’aprofitament de l’energia eòlica.
17
3. Origen del vent
La radiació solar és absorbida irregularment per la atmosfera, els raigs solars
incideixen perpendicularment en l’equador i obliquament en els pols, el que
dóna lloc a masses d’aire amb diferents temperatures, i per tant, diferents
densitats i pressions. L’aire, al desplaçar-se des de les altes cap a les baixes
pressions, dóna lloc al vent.
De l’enorme quantitat d’energia solar que arriba a la Terra per radiació, només
un 2% es converteix en energia cinètica dels vents atmosfèrics, ja que es
presenta de forma molt diluïda.
Les propietats físiques de la superfície incident o la distribució dels oceans i
continents mundialment influiran directament en l’energia captada, donant
origen a diferents àrees tèrmiques. En funció de la temperatura, cada àrea
presentarà una densitat i una pressió determinades que, en interaccionar amb
la resta d’ àrees de diferents característiques, generaran inestabilitat i, en
conseqüència, moviment de masses d’aire. L’aire que més s’escalfa es torna
més lleuger i, per tant, ascendeix per sobre de les masses de major densitat i
menor temperatura. Així, la totalitat dels vents, a més de pel gradient de
pressions, es veuran influenciats per altres factors:
Forces gravitacionals. Produeixen una acceleració de l’aire
equivalent a la de la força de la gravetat, sent aquesta la
responsable de la retenció de la atmosfera de la Terra.
Forces de fregament o fricció. Produeixen una variació en la
velocitat de l’aire com a conseqüència de les diferències de
viscositat del mateix. Aquesta força es fa més important a la
troposfera.
Forces de Coriolis o de deflexió horitzontal. Són l’efecte que
produeix el moviment de rotació de la Terra. Produeix un
18
desplaçament del vent a l’hemisferi Nord en el sentit de les
agulles del rellotge, i en sentit contrari en l’hemisferi Sud. Són
les responsables de les espirals de vent, els tornados.
Com a conseqüència dels factors anteriorment descrits poden diferenciar-se
dos tipus de circulació de l’aire en l’atmosfera:
3.1. Circulació planetària
Es deu bàsicament a les variacions de la radiació solar incidents sobre la Terra,
així com al efecte que la rotació del planeta presenta sobre les masses d’aire.
Model de circulació planetària del aire considerant únicament l’efecte de la
radiació solar, es basa en què la radiació rebuda és màxima en l’equador i
mínima als pols, existint un gradient entre ambdues zones. En absència de
rotació, las diferències tèrmiques i de pressió entre la zona equatorial i les
polars produirien un moviment circulatori de l’aire, ascendent l’aire calent a les
capes altes de la atmosfera per dirigir-se a les zones polars, i produint-se el
desplaçament de les masses d’aire fred cap a l’equador per les capes més
baixes, completant així la circulació en cada hemisferi.
Figura 2. Esquema de la
circulació general atmosfèrica
amb efecte de Coriolis.
19
El model de circulació planetària de l’aire que té en compte tant la radiació
solar incident com el moviment de rotació terrestre, incorpora que, com a
conseqüència de Coriolis, es produeix una desviació de les masses d’aire
respecte a la seva direcció principal, alterant la circulació de l’aire entre
l’equador i els pols terrestres. Aquesta desviació provoca l’aparició de
remolins, les borrasques i els anticiclons cosa que ens permet diferenciar
tres zones climàtiques en cada hemisferi.
3.2. Circulació a escala local
En aquest model es tenen en compte fenòmens de circulació dels vents
d’àmbit local. Aquest és el cas de les brises marines, produïdes al litoral
coster com una conseqüència del ràpid escalfament de la terra durant el
matí respecte al mar. L’aire en contacte amb la superfície terrestre s’escalfa,
produint-se la seva dilatació i disminuint la seva densitat, experimentant un
moviment d’ascensió que dóna pas a l’entrada de masses d’aire més fred
provinents del mar. Després de la posta de sol es produirà l’efecte contrari.
Figura 2. Brises causades
per l’escalfament.
A les muntanyes ocorre un procés semblant, al rebre una radiació variable
en funció de la orientació i el pendent del terra, el moviment de l’aire tendeix
a equilibrar les diferències de pressió aparegudes com a conseqüència d’un
escalfament desigual. Un altre tipus de circulació condicionat per la
geomorfologia de la zona és la canalització dels vents a través de les valls
fluvials i les cadenes muntanyoses. Igualment, les forces de fricció actuen a
20
les capes de contacte amb el terreny, disminuint la velocitat del vent mentre
que a les capes altes es desplaça amb més facilitat.
En resum, els efectes locals produeixen variacions significatives en la
circulació de l’aire en cada zona, essent crucial el seu estudi per a conèixer
l’aptitud d’un emplaçament per a realitzar un aprofitament d’energia eòlica.
21
4. Màquines de generació d’electricitat
“aerogenerador”
4.1. Principis funcionals
La descripció dels aerogeneradors contemplats a partir d’ara són d’eix
horitzontal, del tipus rotor tri-pala a sobrevent amb potències multi-
megawatt.
Quan la velocitat del vent incideix sobre un aerogenerador, es produeixen
les forces sobre les pales. Aquestes forces desenvolupen un par mecànic
sobre els elements de la turbina de l’aerogenerador. El parell mecànic
desenvolupat es transmet al generador, fent-lo girar a una determinada
velocitat i es converteix finalment en energia elèctrica.
En aquest procés de conversió de energia intervenen fonamentalment: el
rotor eòlic, el tren de potència, turbina i generador elèctric mitjançant una
caixa de multiplicació de velocitat.
Els aerogeneradors actuals d’eix horitzontal estan constituïts per una
cimentació de formigó armat adequada al terreny de les càrregues del vent,
sobre la qual s'aixeca una torre, amb l’ objectiu d’ evitar les baixes velocitats
del vent juntament amb la superfície del terreny, elevant l’aerogenerador
normalment fins a una altura.
mDH 1075.0 on D és el diàmetre de pales.
En l’extrem de la torre es fixa una gòndola giratòria. A l’interior d’aquesta
trobem:
El tren de potència: eix del motor, caixa multiplicadora d’engranatges
planetaris, acoblaments sensibles.
La maquinària elèctrica: generador elèctric, controls, accionaments i
màquines auxiliars.
22
Mecanismes auxiliars: generalment hidràulics (fre d’emergència del
rotor, fre d’orientació de la gòndola, mecanisme de canvi de pas,
sistema d’orientació).
Sistema de control: microprocessador per a la supervisió de les
variables operatives, registre d’incidències, i control de funcionament
(arrencada, parada, pas de les pales).
En l’exterior trobem:
La boixa, que uneix les pales del rotor.
Les pales, l’eix de gir de les quals acostuma a estar inclinat alguns
graus sobre la horitzontal amb l’objectiu d’allunyar les pales de la
torre.
El mecanisme aerodinàmic d’orientació. Acostuma a ser de penell de
cola. Es detecta la direcció del vent per mitjà d’un sensor de direcció,
després la gòndola s’orienta amb un motor elèctric.
Estació meteorològica, amb mesura de la velocitat del vent i direcció
del vent, temperatura i pressió atmosfèrica.
Parallamps per a descàrregues atmosfèriques.
Figura 3. Components d’un aerogenerador.
23
1. Fre del rotor
2. Suport rodolament principal
3. Bastidor principal
4. Insonorització
5. Fre hidràulic
6. Acoblament
7. Bastidor del generador
8. Armari de control
9. Sistema de refrigeració del generador
10. Generador
11. Multiplicadora
12. Accionament de Azimut
13. Eix del rotor
14. Boixa
15. Accionament regulació pales (PITGH)
16. Con
17. Anemòmetre + Veleta
18. Parallamps
4.2. Configuració mecànica d’un aerogenerador
Els aerogeneradors d’un parc eòlic a estudiar es defineixen pel tipus de
rotor, potència nominal. Tots els aerogeneradors estan dissenyats per a
operar en diferents condicions de vent.
El sistema de control permet operar l’aerogenerador a velocitat variable
maximitzant en tot moment la potència produïda i minimitzant les càrregues
i el soroll.
A continuació es realitzarà una descripció dels principals components dels
aerogeneradors, s’ha pres un prototip que compleix amb les necessitats
més generalitzades.
24
4.2.1 Components d’un aerogenerador
Torre
El paràmetre més important d’una torre és la altura. A major altura, major
potència, la producció d’energia de la turbina augmenta, però al mateix
temps augmenta el cost i la dificultat de la instal·lació.
La torre ha de presentar la rigidesa suficient per a suportar les càrregues
d’empenta transmeses pel rotor eòlic. Acostuma a ser una estructura
troncocònica tubular d’acer sobre la part superior de la qual es recolza la
gòndola.
Gòndola
La gòndola és el conjunt de carcassa i bastidor de l’aerogenerador, se situa
al capdamunt de la torre i s’orienta segons la direcció del vent. Dins d'ella es
troben la caixa de canvis, l'eix principal, els sistemes de control, el
generador, els frens i els mecanismes de gir de la góndola. L'eix principal és
l'encarregat de transmetre el parell de gir a la caixa de canvis.
Carcassa
La carcassa és la coberta que protegeix els components de l’aerogenerador
de l’interior de la gòndola front els agents meteorològics i condicions
ambientals externes.
Bastidor
El bastidor es dissenya amb els criteris de senzillesa mecànica i robustesa
per a suportar adequadament els elements de la gòndola i transmetre les
25
càrregues fins a la torre. La transmissió d’aquestes càrregues es realitza a
través del coixinet del sistema d’orientació (yaw).
Es divideix en dos parts:
El bastidor davanter és una peça on es fixen els suports del rotor,
multiplicadora, acoblament elàstic i corona de gir.
El bastidor posterior és una peça que esta formada per dos bigues sobre les
quals es troba el generador.
Eix principal
L’eix principal de la turbina transfereix l’energia del vent captada pel rotor en
forma d’energia cinètica angular fins a la multiplicadora.
Rotor
El rotor dels aerogeneradors d’eix horitzontal i orientació a sobrevent es
compon de tres pales unides a una boixa esfèrica mitjançant els
rodolaments de pala. La boixa està unida a les pales que formen un angle
de conicitat de 2º, que allunya les puntes de les mateixes de la torre.
La funció del rotor és captar l’energia cinètica del vent i convertir-la en
energia cinètica de rotació. El rotor gira en sentit horari mirant la turbina des
del davant.
Pales
Les pales dels aerogeneradors estan fabricades amb un material compost
de matriu orgànica amb reforç de fibra de vidre.
Les pales estan dissenyades per a maximitzar la producció energètica,
reduir les càrregues amb la consegüent reducció del pes, i reduir el soroll
emès.
26
En una aerogenerador modern de 1000kW cada pala mesura al voltant de
27 metres de longitud i el seu disseny és molt semblant al de l'ala d'un avió.
Boixa
La boixa és la peça que va cargolada directament a l’eix principal.
Con
El con protegeix la boixa els rodolaments de pala de les inclemències
meteorològiques de l’ambient exterior. Consta de dues parts, una principal
amb obertures per a les tres pales i la connexió a l’eix i una altra que tanca
el conjunt per la seva part davantera.
Sistema de canvi de pas
El sistema de canvi permet variar l’angle de pas de cada pala, al girar
aquesta sobre el seu eix longitudinal. L’objectiu d’aquest sistema és regular
la potència generada amb vents alts i frenar de manera aerodinàmica en
cas de parada controlada o emergència.
Cada pala té un acumulador de nitrogen allotjat en la boixa en el qual hi ha
una reserva permanent d’oli a pressió suficient per a garantir poder portar la
pala a bandera.
Sistema hidràulic
El moviment de canvi de pas de la pala és un gir al voltant del seu eix
longitudinal. Per a aconseguir aquest moviment s’utilitza un sistema
hidràulic que, a través d’un cilindre independent per pala, col·loca les tres
pales al mateix angle de pas en cada instant.
27
Multiplicadora
La funció de la multiplicadora és transferir la potència de l’eix principal, eix
lent fins a l’eix ràpid de l’aerogenerador augmentant la velocitat angular. El
sistema de transmissió és d’una etapa planetària i tren helicoïdal. El factor
de multiplicació depèn de la classe d’aerogenerador.
Sistema d’orientació
La orientació de la gòndola es porta a terme mitjançant el sistema yaw. El
sistema d’orientació permet el gir en ambdós sentits de la gòndola al voltant
de l’eix de la torre. Consisteix en quatre motor-reductores accionades
elèctricament pel sistema de control de l’aerogenerador d’acord amb la
informació rebuda dels anemòmetres i penells col·locades en la part
superior de la gòndola.
Sistema de fre
El fre primari del aerogenerador és aerodinàmic per posada en bandera de
les pales.
28
5. Avaluació del recurs eòlic
Per a avaluar les possibilitats d’utilització de la energia eòlica en un
emplaçament, la primera acció és quantificar el potencial del vent en el mateix.
La quantitat d’energia (mecànica o elèctrica) que pot generar una turbina o un
parc eòlic depèn de les característiques preponderants del vent al lloc de la
instal·lació. El mètode més exacte per a conèixer el potencial de producció
d’energia del vent és la instal·lació d’uns equips de mesura al lloc objecte
d’estudi per a conèixer les dades reals de velocitat, direcció i variabilitat del
vent.
5.1. Paràmetres estadístics
Normalment s’utilitzen paràmetres estadístics anuals per tenir en compte les
variacions estacionals que es produeixin.
Els paràmetres que s’utilitzen són:
5.1.1. Valor mitjà anual de la velocitat
La velocitat mitjana anual del vent és el principal indicador del recurs
eòlic disponible en un emplaçament, ja que l’ energia cinètica del vent
és proporcional al cub de la velocitat del vent. 3vA2
1 Ec .
5.1.2. Rosa dels vents
La representació més utilitzada de la distribució direccional dels vents és
l’anomenada rosa dels vents de l’emplaçament, en què es representa el
percentatge de temps en que el vent prové des d’una determinada
direcció. La informació de les direccions predominants del vent és
fonamental a l’hora de definir l’orientació sobre el terreny del parc eòlic.
29
Figura 4.
Exemple de
rosa dels vents
de la
freqüència.
En les roses dels vents es pot representar així mateix la velocitat mitjana
anual en cada sector.
Figura 5. Exemple de rosa
dels vents de les velocitats
mitjanes.
També és molt útil la representació de la distribució direccional de
l’energia des del punt de vista de l’aprofitament del potencial eòlic.
Figura 6. Exemple de
rosa dels vents de
l’energia.
30
Les roses dels vents són imprescindibles per al disseny del parc eòlic
perquè amb la informació que aporten és possible minimitzar les pèrdues
degudes a les deixants entre aerogeneradors. El deixant que provoca un
aerogenerador dóna lloc a una desceleració del flux de vent que afecta a
la resta d’aerogeneradors situats al darrera.
5.1.3. Períodes de calma
Es defineix calma com la velocitat de vent per sota de la qual
l’aerogenerador no produeix energia. La velocitat de calma depèn de
l’aerogenerador. L’anàlisi de calmes permet conèixer els moments de
baixa producció d’energia elèctrica procedent de fonts d’energia
renovable, en aquests períodes de temps seran les centrals de cicle
combinat les que augmentin la seva producció per a satisfer la demanda.
5.1.4. Perfil vertical del vent
El relleu és la causa principal de modificacions en la direcció i força del
vent. Alguns efectes produïts pel relleu són:
Efectes de barrera: El vent es desvia al trobar-se amb cadenes
muntanyoses.
Efecte de canalització: Es produeix quan la direcció del vent és paral·lela
al accidents orogràfics que originen la canalització. El vent s’accelera,
per exemple, en tàlvegs o depressions.
Efecte cantonada: El vent bordeja factors geogràfics elevats projectats
contra el mar. Les corrents d’aire patiran un augment a la seva força i un
canvi a la seva direcció.
La velocitat del vent en un emplaçament varia també amb la altura degut
a l’efecte de fregament de l’aire en moviment amb la superfície terrestre.
Aquest efecte es denomina tall vertical del vent. Empíricament s’han
determinat expressions que descriuen aquesta variació del vent amb
l’altura. La més simple és la llei potencial.
31
00 h
h
v
v on:
v és la velocitat el vent a l’ altura h .
0v és la velocitat a l’ altura 0h
és el denominat factor de tall. Els valors del factor de tall
acostumen a oscil·lar entre 0.1 i 0.3 depenent de la rugositat del
terreny.
Figura 7. Exemple de
perfil vertical del vent.
5.1.5. Mesurament i avaluació del recurs eòlic
La quantitat d’energia (mecànica o elèctrica) que pot generar una turbina
o un parc eòlic depèn de les característiques preponderants del vent al
lloc de la instal·lació. El mètode més exacte per a conèixer el potencial
de producció d’energia del vent és la instal·lació d’uns equips de mesura
al lloc objecte d’estudi per a conèixer les dades reals de velocitat,
direcció i variabilitat del vent.
S’han de tenir en compte una sèrie de components:
Turbulència:
La turbulència del vent es defineix com la variació temporal i
espacial de la velocitat de vent en el rang de la micro-escala, és a
32
dir, en variacions temporals compreses en els intervals de 0 a 10
minuts, i espacials de fins a les desenes de metre.
A l’hora de realitzar una avaluació de potencial eòlic és necessari
caracteritzar la turbulència atmosfèrica en l’emplaçament, ja que
aquesta generarà càrregues dinàmiques estructurals sobre els
aerogeneradors i variacions de la potència subministrada.
Un dels paràmetres més utilitzats per caracteritzar la turbulència
és la intensitat de turbulència (IT) que es defineix com: v
IT v
On:
- v és la desviació típica de la velocitat.
- v és la velocitat mitjana.
La intensitat de turbulència es dóna en tant per cent, i es calcula
per a períodes curts de temps, típicament 10 minuts. Generalment
un emplaçament conté intensitats de turbulència superiors al 30%
no és recomanable instal·lar aerogeneradors.
Densitat de l’aire:
Temperatures baixes que produeixen una densitat de l’aire més
alta. Major densitat significa més fluïdesa de les molècules en un
volum d’aire donat, i més fluïdesa de les molècules a sobre d’una
pala de la turbina produeix un rendiment més alt de la potència,
per una velocitat de vent donada.
33
Rafagositat
El factor de rafagositat es defineix com una variació temporal de
la velocitat de vent que pot ser caracteritzada per la seva
amplitud, durada, acceleració i, a vegades, també per la seva
forma.
Aquestes variacions respecte a la velocitat mitjana és necessari
conèixer-les ja que generen càrregues brusques als
aerogeneradors.
La forma de caracteritzar la rafagositat a l’hora de realitzar un
estudi de potencial eòlic és mitjançant el factor de rafagositat (FR)
que es defineix com:
v
vFR
max on:
- v és la velocitat mitjana corresponent al període de mesura
analitzat.
- maxv és la velocitat màxima instantània registrada en el
mateix període.
La rafagositat i la turbulència són uns dels factors més importants a tenir
en compte a l’hora de determinar el tipus d’aerogenerador a utilitzar en la
instal·lació.
5.2. Distribució de la probabilitat de la velocitat del
vent
5.2.1. Distribució de Weibull
El coneixement de la distribució de probabilitat de velocitat del vent,
també denominada distribució de freqüències del vent o histograma, és
important per determinar el potencial eòlic disponible, a més d’obtenir
altres paràmetres energètics d’interès. Si no es disposa de series
temporals mesurades en el emplaçament a avaluar, o si es requereix
extrapolar dades mesurades d’un lloc a un altre, o d’una altura a una
34
altra, el utilitzar una representació analítica per a la distribució de
probabilitats de velocitats de vent ofereix certs avantatges.
L’expressió analítica més utilitzada en estudis d’energia eòlica per
representar la probabilitat de velocitats de vent, és la distribució de
Weibull. La seva forma general de la funció de densitat de probabilitat
és:
k
c
xk
ec
x
c
kxp
1
)(
On:
)(xp , representa la probabilitat estadística que ocorri una
determinada velocitat x. També s’anomena funció de densitat
quan és contínua.
c , és el denominat factor d’escala (m/s), el valor del qual és
proper a la velocitat mitjana.
k , és el factor de forma (adimensional).
La expressió de Weibull, en funció de dos paràmetres, proporciona un
mètode pràctic per a la representació de la distribució de probabilitat de
velocitats de vent per al càlcul del potencial eòlic.
Els valors del factor de forma més habituals varien entre 1 i 3. La
distribució de Weibull amb factor de forma k=2 i factor d’escala c= 2 ,
es coneix com distribució de Rayleigh, en aquest cas la funció de
densitat de probabilitat té la expressió 2
2
2
2)(
x
ex
xp
, on x
representa la velocitat del vent i és la desviació típica. Dita expressió
s’assumeix com distribució gaussiana per la seva similitud amb la normal
35
de mitjana 0 i desviació típica , N(0, ) que té per funció de densitat
2
2
2
2
1)(
x
exf
.
Gràfiques de la funció de densitat de Weibull segons el factor de forma k.
Gràfica 1. Funció de densitat de Weibull segons els paràmetres c i k.
A partir de la funció de densitat d’una variable aleatòria contínua es
defineix la funció de distribució (de freqüències acumulades) com:
)()( vxPvF
v v
v
c
x
c
xk kk
edxec
x
c
kdxxp
0 0
0
1
)(
36
kkkk
c
v
c
v
cc
v
eeee
11
0
5.2.2. Mètode per determinar els paràmetres c i k.
Si es té una mostra de dades corresponent a un llarg període de temps,
ordenades per intervals de velocitats ( iv ) i conegudes les freqüències
relatives acumulades de cada interval ( iP ), els paràmetres c i k poden
obtenir-se a través de la recta de regressió que es calcula utilitzant
l’ajust de mínims quadrats de l’equació:
k
i
c
v
ii evxPP 1
k
ii
c
vP )1ln(
cvk
c
vkP i
ii lnlnln1lnln
ckvkP ii lnln))1ln(ln(
que es pot expressar com:
bxay ii on
))1ln(ln( ii Py
37
a
b
ii
ecca
b
cab
ak
vx
ckb
ln
ln
recta) la de(pendent
ln
origen)l'en (ordenada ln
Gràfica 2. Recta de regressió
per calcular els paràmetres c i k.
5.2.3. Aplicacions de la distribució de Weibull
La probabilitat que existeixin velocitats de vent superiors a una
determinada v, ve donada per la funció:
k
c
v
evxP
)(
La probabilitat que existeixin velocitats de vent entre dos límits
d’interès és:
kk
c
v
c
v
i eevxvP
21
2
38
6. Energia continguda en el vent. El límit de Betz.
6.1. Teoria de la quantitat de moviment
En la història de l’aerodinàmica referent a les turbines de vent, la teoria de
quantitat de moviment, representa el primer pas amb èxit, per a tractar d
comprendre i explicar encara que d’una manera molt succinta, les
actuacions del rotor d’un aeromotor, immers en el senó d’una corrent
uniforme d’aire.
Aquesta teoria permet obtenir, en funció d’uns pocs paràmetres, uns
resultats globals molt generals i unes ordres de magnitud de certes
variables, que són útils, per a tractar d’entendre les idees físiques del
fenomen.
6.1.1. Hipòtesi
La teoria de quantitat de moviment, s’estableix d’acord a les següents
hipòtesis anomenades “Hipòtesis de Rankine i Freude”.
Suposa l’aire com un flux ideal sense viscositat, excepte a les
proximitats molt immediates al pla del rotor.
Considera l’aire pràcticament incompressible i, en conseqüència,
la seva densitat és constant en tot el camp. A més no estudia la
variable temperatura.
El moviment del fluid és estacionari, no depèn del temps. De tal
manera que totes les variables depenen només del punt a l’espai
on es calculen.
No té en compte la velocitat de rotació dl rotor ni tampoc la de la
seva deixant
39
Contempla el rotor com un disc porós o disc límit al qual
s’arribaria col·locant en ell infinites pales a la seva vegada
infinitament primes.
6.1.2. La potència del vent
Sigui un tub de corrent de secció recta A, pertanyent al camp fluït del
vent uniforme de velocitat 1
v , com a la figura.
Figura 8. Cilindre per on circula el vent.
La secció A, està fixada a l’espai i el fluid passa a través d’ella.
Considerem que A’, té la mateixa àrea que A i es desplaça en l’espai a
velocitat 1v , si anomenem Δt el temps que triga la secció A’ a coincidir
amb A, la longitud L recorreguda per A’ a l’interval Δt serà:
L = tv 1
40
Així la quantitat de massa, M, que travessa la secció A en l’interval de
temps Δt, ve donada pel volum del cilindre de bases A, A’ i longitud L, és
a dir,
M = tvA 1 on és la densitat de l’aire.
Com aquesta massa es mou a velocitat 1
v , la seva energia cinètica val:
E = 2
12
1vM = tvAvtvA 3
1
2
112
1
2
1
Dividint tota aquesta energia de la massa M que passà a través de la
secció A pel temps t ,que va emprar en travessar-la, ens dóna la
potència del vent per l’ esmentada secció d’àrea A.
3
12
1vAP
Per tant, la potència del vent és proporcional a la densitat de l’aire , al’
àrea de la secció considerada i al cub de la velocitat 1v del vent incident.
6.1.3. Esquema del fenomen físic per a la teoria de
quantitat de moviment
Com és el tub de corrent i com es distribueixen les variables físiques.
El disc del rotor està col·locat frontalment, és a dir, perpendicularment a
la direcció del vent incident. Un esquema del tub de corrent que conté al
rotor pot ser:
41
Figura 9. Tub de corrent que travessa el rotor.
L’ aire que es desplaça per l’interior d’aquest tub de corrent és el que
travessa el rotor. (Secció A)
Les seccions del tub de corrent aigües amunt del rotor, per
exemple 1A , són menors que la del disc del rotor A i aigües avall
les seccions del tub de corrent, tal com 2A , tenen un àrea superior
a la del disc del rotor.
Al disc del rotor, la secció del tub de corrent i la del rotor
coincideixen i valen A.
Atès que el moviment del fluid es estacionari (no depèn del
temps) i, a més, el fluid és incompressible (per tant densitat
constant), es conserva el caudal.
42
Per conseqüent, la velocitat equivalent en cada secció ha de
disminuir a mesura que el tub es va estrenyent.
21 vvv
La pressió estàtica equivalent en cada secció varia també de valor
al llarg del tub de corrent, així en la secció 1A el seu valor és 1P , el
de la pressió ambiental. A mesura que ens apropem al rotor, la
pressió estàtica puja fins la immediata proximitat a la cara anterior
del disc que val P .
A través del disc hi ha un salt descendent de la pressió estàtica
fins a 1PP i, a partir d’aquí torna a créixer fins arribar a la
secció 2A en què torna al valor 1P .
1211 , , PPPPPP
6.1.4. Equacions
Equació de continuïtat:
El caudal és constant.
2211vAvAvA
Equació de quantitat de moviment, que travessa la superfície A en
1s:
svAM 1
La força resultant del fluid sobre el disc val:
)( 21 vvvAvMFF
També es pot calcular aquesta força com:
43
)( ppF
Equació de Bernoulli, per al flux al llarg d’una línia de corrent
horitzontal:
Entre la secció 1A i la cara anterior del disc.
22
112
1
2
1vpvP
A través del disc hi ha una extracció d’energia i no es pot aplicar
Bernoulli. Però sí entre la secció posterior al disc i 2A .
2
2
1vp 2P 2
21
2
22
1
2
1vPv ja que 12 PP .
Restant ambdues equacions, queda la diferència de pressió en el
disc.
2
2
2
1
22
21
22
112
1
2
1
2
1
2
1
2
1vvvvPvvPpp
Substituint aquest resultat en AppF , queda:
21
2
2
2
1
banda, altraPer
2
1
vvvAF
AvvF
21
2
2
2
12
1vvvAAvv
44
22
21
21
2
2
2
1 vv
vv
vvV
, que ens diu que la velocitat del vent
V en el pla del rotor és la semisuma de la velocitat incident (en l’infinit
aigües amunt) 1v amb la velocitat final (aigües avall en l’infinit) 2v .
La potència absorbida pel rotor és el producte de la força F exercida
pel fluid sobre el disc del rotor, per la velocitat del fluid v (en el rotor).
22
1 212
2
2
1
vvAvvvFP
2
21 vvA
, és la massa d’aire que passa a través del rotor en 1s,
(despesa màssica).
I 22
2
2
2
1 vv és la pèrdua d’energia cinètica per unitat de massa que
experimenta l’aire entre les dos seccions 21 i AA .
6.1.5. Màxima potència extraïble per a una velocitat 1v
donada
Ens plantegem la següent pregunta per a un valor prefixat i invariable de
la velocitat 1v .
Hi haurà algun valor 2v que faci màxim el producte de la despesa
màssica a través del disc per la pèrdua d’energia al llarg de la deixant?
Per a això la fórmula d la potència
222
2
1
2
121 vvvvAP la
expressem en funció de 1v i del quocient 1
2
v
vK , així ens queda,
45
2
2
2
1214
1vvvvAP = 3
2
2
12
2
21
3
14
1vvvvvvA
=
per a Kv
v
1
2 , 323
1 14
1KKKvA =
223
1 114
1KKKvA = KKvA 11
4
1 23
1 .
Ara per a obtenir el valor de K que optimitza la potència extreta haurem
de buscar els extrems relatius de P en l’interval 1,0 , ja que 021 vv i,
per tant 1,0K . Els extrems relatius es troben resolent la equació:
0dK
dP.
23
1 1124
1KKKvA
dK
dP =
223
1 1224
1KKKvA = 123
4
1 23
1 KKvA .
Per tant,
6
42
6
162
32
13-4-42 K 0123 0 2
kk
dK
dP
3
1
6
2
6
42 ; #1
6
42 21
KK .
La solució 1K es rebutja perquè 1 ,01 .
Ara calculem
3
12
2
dK
Pd per a saber si és un màxim o un mínim.
044
12
3
16
4
1
3
1'' 26
4
1 3
1
3
1
3
12
2
vAvAPKvA
dK
Pd
Per tant KP presenta un màxim relatiu en 3
1K .
46
És a dir, la màxima potència que es pot extreure del vent s’assolirà quan
la velocitat de sortida sigui un terç d la velocitat d’entrada.
Llavors 3
1
3
1max27
8
9
11
3
11
4
1
3
1vAvAPP
.
6.2. Coeficient de potència. Límit de Betz
S’anomena coeficient de potència d’un aeromotor al rendiment amb el qual
funciona aquest, i expressa quina quantitat de la potència total que posseeix
el vent incident és realment capturada pel rotor de l’esmentat aeromotor.
S’expressa com
3
1
23
1
3
12
1
114
1
2
1vA
kkvA
vA
PCp
, on:
P és la potència realment capturada pel rotor.
3
12
1vA és la potència del vent incident.
Simplificant en la expressió en la qual P apareix en funció de k, queda
2112
1kkCp .
Gràfica 3. Gràfica del coeficient de potència (Cp )en funció de K.
47
6.3. Límit de Betz
El límit de Betz és el màxim coeficient de potència amb que pot funcionar un
aeromotor ideal.
Si en Cp introduïm com a potència P de l’aeromotor la potència màxima,
anteriorment calculada, queda:
5925,027
16
2
127
8
2
1
max
3
1
3
1
3
1
vA
vA
vA
PCpmàx
Que ens indica que:
La màxima potència que es pot obtenir en teoria, d’una corrent d’aire, amb
un aeromotor ideal, mai podrà superar el 59,25% de la potència del vent
incident.
6.4. Limitacions de la teoria de quantitat de
moviment
No considera els efectes viscosos del fluid.
Les magnituds són equivalents en cada secció recta del tub de corrent.
No permet càlculs locals en zones determinades del rotor, ni té en
compte canvis de la velocitat incident amb l’altura.
No té en compte el número de pales de l’aeromotor.
No té en compte el gir del rotor ni calcula parells de forces. En particular,
no calcula el parell motor del rotor.
No considera fenòmens no estacionaris com ràfegues o variacions de
velocitat de l’aire amb el vent o variació en la velocitat de gir del rotor.
48
7. Estudi de sensibilitat de la producció
energètica d’un aerogenerador.
Els aerogeneradors venen caracteritzats per la seva corba de potència, que
relaciona la potència elèctrica produïda en funció de la velocitat mitjana del vent
incident.
La gràfica següent mostra la corba de potència d’un aerogenerador de 500kW.
Gràfica 4. Potència elèctrica de l’aerogenerador en funció de la velocitat del
vent.
Velocitat d’arrencada:
Es defineix velocitat d’arrencada o de connexió d’un aerogenerador, com
la menor velocitat de vent a l’altura de la boixa a la qual l’aerogenerador
produeix energia. En la gràfica anterior estaria en torn als 3 m/s.
49
Velocitat nominal:
És la velocitat de vent mínima a la qual l’aerogenerador produeix la
potència nominal. Que aquesta és la màxima potència que pot produir
un aerogenerador. En la gràfica anterior seria a 14 m/s.
Velocitat de tall o desconnexió:
És la velocitat de vent màxima de funcionament de l’aerogenerador.
Entre la velocitat de connexió i la nominal es denomina zona d’operació
a càrrega parcial, i entre la nominal i la de tall, zona de funcionament a
plena càrrega.
Per raons d’optimització del cost, a partir de la velocitat nominal es
regula la potència de l’aerogenerador mantenint-lo en funcionament a
potència nominal. La raó principal radica en que si no es realitzés
aquesta regulació, seria necessari sobredimensionar tots els
components de l’aerogenerador, amb el corresponent sobre cost, que no
es compensaria amb l’increment d’energia que podria aconseguir-se.
Coneixent la distribució de la probabilitat (o corresponent funció de
densitat de Weibull) de velocitats del vent en l’emplaçament, es pot
calcular l’energia anual que produiria un aerogenerador en condicions
estàndard.
50
8. Tecnologia de petits aerogeneradors per a
sistemes aïllats de la xarxa.
Segons la normativa dl Comitè Electrotècnic Internacional per a
aerogeneradors d’eix horitzontal, els petits aerogeneradors es corresponen
amb els que tenen rotors, amb un diàmetre de pala inferior a 16m, el que
equival a una potència nominal màxima de 100kW.
Els sistemes eòlics per a funcionament aïllat presenten una problemàtica
clarament diferenciada respecte dels sistemes connectats a la xarxa. En les
instal·lacions aïllades s’han de cobrir les necessitats de la demanda, per la
qual cosa són necessaris sistemes d’acumulació i regulació.
Des del punt de vista tècnic, tenim:
En els aerogeneradors connectats a la xarxa, és la pròpia xarxa, a
través de la freqüència constant, la que manté la velocitat de gir dels
aerogeneradors.
En instal·lacions aïllades, aquesta s’ha de controlar a través de
subsistemes dissenyats específicament per a tal tasca.
Opcions més freqüentment utilitzades en els models de petits
aerogeneradors existents al mercat actual.
Rotor:
La major part dels aerogeneradors presenta l’eix horitzontal a
sobrevent, si bé, també existeixen models comercials d’eix
horitzontal a sotavent, així com d’eix vertical.
La tecnologia dels aerogeneradors d’eix horitzontal empra des de
rotors de dues pales fins als de 6 pales, cobrint totes les solucions
intermèdies: 3, 4 i 5 pales.
51
Generador:
La majoria dels dissenys de petita potència utilitzen connexió directa
entre el rotor de l’aerogenerador i el generador elèctric, sense
existència de caixa de multiplicacions, si bé s’han localitzat alguns
models amb una multiplicadora de dos etapes.
En els aerogeneradors de baixa potència (<3kW) el tipus de
generador utilitzat és pràcticament en la totalitat dels dissenys és un
alternador d’imants permanents de 4,6,8 o 10 pols.
8.1. Sistema de regulació de velocitat
Existeixen una gran varietat de solucions utilitzades per a regular la
potència i velocitat de gir en els petits aerogeneradors:
Sense regulació:
L’aerogenerador es dissenya per a poder suportar les càrregues que
es produeixin en totes les condicions d’operació, incloses les
velocitats de gir que puguin presentar-se en funcionament en buit.
Regulació per desorientació:
L’eix del rotor esta desalineat amb el pla horitzontal respecte a la
direcció del vent incident.
Regulació per caboteig:
És similar a l’anterior, però la desalineació es produeix en el pla
vertical.
52
Regulació per canvi de pas:
Similar a la dels aerogeneradors més grans. Dissenyant el coll de la
pala amb baixa resistència a torsió, el que permet que les càrregues
que actuen sobre la pala siguin capaces de produir gir de la mateixa
sobre el seu eix. Les pales es giren i com a resultat hi ha menys
superfície de la pala exposada al vent.
Els sistemes més emprats són per caboteig de l’aerogenerador degut a
l’empenta, i per canvi de pas centrífug i elèctric.
8.2. Sistema de frenada
En els aerogeneradors que tenen un únic sistema de frenada, la solució
majoritària es mitjançant un curtcircuit del generador elèctric. En el cas de
tenir dos sistemes de frenada, el principal és el fre mecànic o aerodinàmic
mitjançant el posicionament de les pales en la posició de bandera.
8.3. Sistema d’orientació
Els sistema d’orientació més utilitzat per als aerogeneradors d’eix horitzontal
a sobrevent és per penell.
8.4. Utilitats
S'usen en zones remotes per a cases aïllades, per a sistemes d'emergència
i d'alarma, en l'agricultura, per alimentar sistemes de telecomunicació, per a
un back-up en plataformes de petroli i per a estacions científiques, per
exemple a l'Antàrtida.
53
Tradicionalment aquestes petites turbines serveixen per carregar bateries o
bombar aigua. Cada vegada més es connecta directament a la xarxa
d'electricitat comuna amb inversors especials per reduir les creixents
factures de les companyies elèctriques.
8.5. Eficiència
Mentre grans turbines modernes capten una mica més de 50% de l'energia
del vent, les petites rares vegades superen el 25%(el màxim és 59.3%
segons la Llei de Betz).
El rendiment nominal de la majoria de les petites turbines es produeix amb
vents de12m/s (més de40km/h).
54
9. La xarxa i l’emmagatzematge
9.1. La Xarxa
Els parcs eòlics estan obligats a complir els requeriments contra buits de
tensió per mantenir l’estabilitat de la xarxa en cas de forats.
A Espanya, la implantació d’energia eòlica ha anat acompanyada de la
instal·lació d més plantes de cicle combinat per assegurar la correcta
operació del sistema davant de faltes degudes a, per exemple, caigudes de
generació inesperades i per cobrir necessitats de regulació o serveis que,
per al moment, els parc eòlics no proporcionen.
Els sistemes d’emmagatzematge permeten:
Millorar la capacitat de la xarxa de transport i ajornament de noves
ampliacions.
Integració de fonts renovables ja que permet la gestió de les
fluctuacions d’energia.
Millora de la qualitat d’energia, fiabilitat del sistema i estabilitat
dinàmica.
55
9.2. Tipus de sistemes d’emmagatzematge
Figura 10. Sistemes d’emmagatzematge d’energia en funció de la
capacitat i temps de descàrrega.
9.2.1. Bombeig hidràulic:
L’aigua s’emmagatzema en forma d’aigua bombejada des d’un
embassament inferior fins a un d’una posició més elevada. Durant les
hores vall es bombeja aigua i durant les hores pic es turbina i es
produeix energia.
9.2.2. Emmagatzematge d’energia amb aire comprimit:
Aquesta tecnologia utilitza electricitat en les hores vall per fer que un
motor/generador mogui uns compressors amb el fi de injectar aire en un
embassament sota terra. Durant el dia, quan la demanda s’incrementa,
l’aire comprimit es fa passar per uns expansors a alta i baixa pressió per
a que el motor/generador produeixi electricitat.
56
9.2.3. Superconductors magnètics SME
Els superconductors magnètics (SME) emmagatzemen l’energia en un
camp magnètic pel flux de corrent continua en un anell superconductor.
9.2.4. Emmagatzematge d’energia en bateries
Les bateries emmagatzemen l’energia en forma d’energia química
depenent de l’electròlit existeixen diferents tipus de bateries.
o Bateries de plom àcid
Aquestes bateries utilitzen plom àcid sulfúric com reactius químics i és
la tecnologia més antiga i més desenvolupada de totes.
o Bateries de níquel-cadmi (Ni-Cd)
Als anys noranta, aquestes bateries van constituir la primera opció en el
mercat dels sistemes electrònics.
o Bateries d’ió-liti
Són sistemes molt lleugers i tenen la densitat d’energia més alta de totes
les bateries recarregable.
o Bateria de fluix
Una bateria de fluix és una bateria recarregable en la que l’electròlit, que
conté una o més especies electro-actives, flueix a través de la cel·la
electroquímica que converteix l’energia química en electricitat.
57
9.2.5. Hidrogen
És possible emmagatzemar hidrogen com gas comprimit, líquid o inclús
en estat sòlid amb hidrurs per reconvertir-lo en electricitat o energia
tèrmica amb turbines de gas i amb piles de combustible. La pila de
combustible converteix l’energia química emmagatzemada com hidrogen
directament en electricitat.
La major planta experimental instal·lada a Europa es troba en el parc de
Sotavento (Lugo) amb una capacitat de 17,5 MW de eòlica.
Aquest projecte estudia la idoneïtat de l’hidrogen com sistema
d’emmagatzematge d’energia que permeti la gestió energètica i
econòmica d’un parc eòlic.
L’esquema de funcionament de la instal·lació es basa en la
transformació d’energia elèctrica produïda en el parc en hidrogen per al
seu emmagatzematge i us.
58
10. Conclusions
A partir de la teoria de la quantitat de moviment, la llei de Betz estableix
que com a molt es pot aprofitar el 59,25% de la potència eòlica del
vent, a més a més amb petits aerogeneradors i en condicions
favorables, només s’aconsegueix extreure’n un 25%.
Mitjançant un mostra suficientment gran de dades de velocitats del vent a
la Morella, he calculat a través de la corresponent recta de regressió
els paràmetres que m’ han permès representar la funció de densitat de
Weibull (de probabilitats del vent), que s’utilitza per estimar el potencial
eòlic disponible en el determinat emplaçament.
Amb l’aerogenerador he estat capaç d’aprofitar l’energia cinètica del vent
per a: engegar una bombeta, carregar una bateria que posteriorment
m’oferia la possibilitat de proveir-me d’electricitat.
59
11. Bibliografia
ASSOCIACIÓ EMPRESARIAL EÒLICA(2014). Publicacions.
http://www.aeeolica.org/. [consulta: 15 de juny 2014, 23 de
setembre 2014, 4 de novembre 2014]
ASSOCIACIÓEÒLICA DE CATALUNYA. (2014). La
Tecnologia. http://eoliccat.net/la-tecnologia/?lang=es
[consulta: 11 juny 2014, 1 setembre 2014, 8 octubre 2014]
AVIA ARANDA, Félix. La Energía Eólica. Pamplona:
Fundación Gas Natural Fenosa. (2012)
BOE 126. R.D. 661 (2007). Real decreto 661. [consulta: 5 de
setembre 2014]
CENER, Centro Nacional de Energías Renovables(2014).
Aerogeneradores en el mercado europeo.
http://www.cener.com/es/index.asp [consulta: 9 d’octubre
2014, 21 d’octubre 2014]
CRUZ, Ignacio. Principios de conversión de la energia eólica.
Madrid: CIEMAT. (2005) [consulta: 3 juliol 2014, 22 setembre
2014, 18 novembre 2014, 27 novembre 2014]
60
DANISH WIND INDUSTRY ASSOCIATION (2003). Energía
producida.
http://www.motiva.fi/myllarin_tuulivoima/windpower%20web/es
/tour/wres/index.htm. [consulta: 14 setembre 2014, 29
setembre 2014, 2 d’octubre 2014, 17 de novembre 2014]
IDAE (2010). Plan de energías renovables en España 2005-
2010. Instituto para la Diversificación y ahorro de la Energía.
[consulta: 19 de juliol 2014, 15 de setembre 2014, 23 de
novembre 2014]
OMEL (2009). Operador del mercado eléctrico espanyol.
http://www.omel.com [consulta: 12 de setembre 2014]
ROMERO LOZANO, Luís, CARLOS TOLEDANO, José.
Programación, organización y supervisión del
aprovisionamiento y montaje de instalaciones de energia
eólica. Madrid: Paraninfo, 2012.
WOLD WIND ENERGY ASSOCIATION. (2014). Wind energy
Technology and Planning.
http://wwindea.org/technology/ch01/estructura-en.htm
[consulta: 3 de setembre, 23 de novembre]
61
12. Annexos
12.1. Càlculs per a trobar la funció de densitat de
Weibull a la Morella.
12.1.1. Taules de dades i histograma
Figura 11.
Figura 12.
62
Figura 13.
12.1.2. Càlcul de paràmetres
Figura 14.
63
Figura 15.
12.1.3. Recta de regressió
Gràfica 5.
64
12.1.4. Funció de densitat de Weibull
Gràfica 6.
12.2. Potència nominal de l’aerogenerador
Figura 16.
65
Gràfica 7.
12.2.1. Procediment per a trobar el voltatge i la intensitat per a una
determinada velocitat del vent:
https://www.youtube.com/watch?v=usRNYcCvXhI (intensitat a l’esquerra del vídeo, voltatge a la dreta)
12.3. Construcció d’un mini aerogenerador
Figura 17. Mini aerogenerador a la Morella
66
El mini aerogenerador consta de 3 pales, el generador i un penell.
Figura 18. Les peces necessàries per fer el muntatge.
El generador elèctric, una màquina destinada a transformar l'energia
mecànica en elèctrica.
Figura19. El generador obert.
67
Figura 20. El generador i el con.
Col·locació de les aspes.
Figura 21. La primera aspa col·locada.
68
Figura 22. Dues aspes col·locades.
Figura 23. Les 3 aspes estan col·locades, a més a més del con.
69
Figura 24. L’aerogenerador muntat amb les 3 aspes i el penell.
70
12.4. Encendre una bombeta aprofitant l’energia
cinètica del vent
Figura 25.
La bombeta es veu encesa ja que esta connectada directament a
la sortida de corrent de l’aerogenerador.
71
12.5. Recàrrega d’una bateria de 6V
Figura 26.
La bateria només esta carregada amb 2.4 V.
72
Figura 27.
La posem a carregar durant 15’.
73
Figura 28.
Després de 15’ carregant s’aprecia que l’aerogenerador ha
carregat la pila fins a 4,67 V.
