La energía eólica ha experimentado importantes progresos técnicos y económicos. Se han mejorado significativamente aspectos tales como la gestión y el mantenimiento, la integración de la energía eléctrica en la red, la adaptación del diseño de aerogeneradores a las características de los emplazamientos, la regulación y control, la predicción de producción a corto plazo y la economía de escala con una mejora de los costes de inversión y de producción eléctrica. También se ha iniciado el desarrollo de la energía eólica marina que ya ha demostrado su viabilidad técnica y económica. En este libro se exponen y desarrollan los aspectos que un técnico energético debe conocer y aplicar para la concepción, proyecto, implantación y gestión de un sistema de energía eólica, en especial para la producción eléctrica. Después de un primer capítulo donde se exponen los aspectos generales de la energía eólica, en los capítulos segundo y tercero se describe respectivamente la física del viento y la medición y tratamiento de los datos eólicos, para posteriormente dedicar el capítulo cuarto a la caracterización del potencial energético del viento. El capítulo quinto se dedica a la aerodinámica de los aerogeneradores, el sexto a los aerogeneradores de eje vertical y aerobombas y el séptimo a los aerogeneradores de eje horizontal para producción eléctrica. Los capítulos octavo y noveno se centran en la producción eléctrica, las diferentes tecnologías y los distintos aspectos de su gestión e integración en la red. El capítulo décimo se destina a la exposición de la metodología para la realización de los cálculos energéticos en aerogeneradores y el decimoprimero a los aspectos económicos y medioambientales de la energía eólica.
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 eólicos4.11. 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 eléctrico8.9. 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
11.3. Costes de un parque eólico
11.3.1. Costes de inversión
11.3.2. Costes variables
11.4. Vida útil de los aerogeneradores
11.5. Repotenciación o repowering
11.6. Coste unitario de producción
11.7. Consideraciones sobre los cálculos económicos
11.8. Cálculo del coste unitario de la producción de energía
11.9. Análisis de rentabilidad. Parámetros
11.10. Análisis económico de sistemas eólicos autónomos
11.11. Aspectos medioambientales
REFERENCIAS
ANEXO 1. UNIDADES Y FACTORES DE CONVERSIÓN
ANEXO 2. FUNCIÓN GAMMA
Miguel Villarubia López es profesor de Ingeniería de Energía Eólica en el Máster interuniversitario de Ingeniería en Energía de la Universidad de Barcelona y la Universidad Politécnica de Cataluña. Es autor de diversas publicaciones en el campo de la energía eólica y ha participado en proyectos y estudios de viabilidad técnica y económica de implantación de parques eólicos para la producción de electricidad.