PROGRAMA DE POSTGRADO, UNED – CURSO 2010/2011 Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica...

PROGRAMA DE POSTGRADO, UNED – CURSO 2010/2011

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Control E.T.S. de Ingenieros Industriales de la UNED

CENSOLAR

VI Curso de Experto Profesional en

Energía Eólica

TRABAJO FINAL

Títulos Propuestos / Formato y contenidos básicos

(Documento “eodoc22_0607.doc”)

UNED - C. E. P. EN ENERGÍA EÓLICA MINIPARQUE EÓLICO EN AVILA

Luis Carlos Galán Sáez Pág. 1

El Trabajo Final consistirá en la realización de un trabajo individual basado en un tema concreto de interés del alumno, sobre el desarrollo de alguno de los apartados del curso (o que tengan una relación colateral), en el cual el alumno profundizará de forma personal (usando la bibliografía que considere más oportuna). Podrá utilizar todo el material que tenga a su disposición, tanto los textos básicos como los textos complementarios, u otro material relacionado con el curso, tanto enviado dentro del curso como obtenido por su cuenta o en bibliotecas. La duración prevista para la realización del trabajo final es un mes (mayo), y la extensión del mismo, de 20 a 30 páginas de texto.

La fecha límite recomendada para el envío de esta Propuesta de Trabajo Final (de forma electrónica, preferentemente) a los profesores es el 30 de abril de 2011. Los profesores aprobarán el tema del trabajo final o le enviarán sugerencias para su realización. En caso de haber ya solicitado el tema del trabajo, y que este ya se haya aprobado, no es necesario hacerlo de nuevo.

Puede usar este mismo documento como formato para realizar el trabajo. La fecha límite para el envío del Trabajo Final es el 1 de junio de 2011.

Título del Trabajo Final: Miniparque Eólico. Unidad Temática donde se inscribe el Trabajo Final: Tema 21: Central Eólica

Resumen del Trabajo Final y Objetivos: El objetivo del presente trabajo es el diseño de un miniparque

eólico, construido con turbinas comerciales de pequeño tamaño (6 kW), en la provincia de Ávila. La

energía generada será inyectada en la red eléctrica para obtener un beneficio económico de acuerdo a lo

dispuesto en RD 661/2007, de 25 de Mayo. Además, se realizara un estudio económico para corroborar la

rentabilidad y un estudio medioambiental.

DATOS DEL ALUMNO

Nombre: Luis Carlos Apellidos: Galán Sáez Cuenta curso: eo10009 Teléfono: Móvil: Fax: Dirección: Código Postal y Ciudad:: País: ¿Ha cambiado alguno de sus datos personales? (marque la respuesta adecuada): ¿Autoriza la publicación del mismo en el servidor web para sus compañeros de curso (si los profesores lo estiman oportuno)? (marque la respuesta adecuada): SI NO Correo electrónico (e-mail):



Unidad Didáctica 1: DESCRIPCIÓN DE SISTEMAS EÓLICOS 1. Aerogeneradores, tecnologías y mercado existente. 2. Sistemas de almacenamiento, tecnologías y mercado existente. 3. Reguladores y convertidores, tecnologías y mercado existente. 4. Inversores, tecnologías y mercado existente. 5. Diseño de sistemas de monitorización para sistemas eólicos. 6. Nuevos materiales en sistemas eólicos. 7. Diseño de nuevos sistemas de carga de baterías con energía eólica. 8. Diseño de políticas de gestión de sistemas eólicos conectados a red. Green preces. 9. Estudio de las políticas de implantación de sistemas eólicos. [Elegir un entorno - Comunidad

Autónoma, España, Comunidad Europea, Estados Unidos, Internacional]. 10. Estudio de la normativa de sistemas eólicos y/o componentes y/o reglamentos electrotécnicos. [Elegir

un entorno - Comunidad Autónoma, España, Comunidad Europea, Estados Unidos, Internacional]. 11. Estudio económico de componentes y/o sistemas eólicos. 12. Nuevos sistemas de almacenamiento basados en volantes de inercia. 13. Estudio de la conexión a la red eléctrica de la energía eólica. 14. Análisis probabilístico de las velocidades del viento. Unidad Didáctica 2: INSTALACIÓN DE SISTEMAS EÓLICOS 15. Instalación eólicos conectada a red en una vivienda. 16. Electrificación eólica en una vivienda de turismo rural. 17. Instalación eólica autónoma en zona en vías de desarrollo. 18. Granja con aporte energético eólico. 19. Industria con aporte energético eólico. 20. Generación y distribución de sistema eólico para urbanización. 21. Central eólico de [1, 5, 10, 50, 100] MW. [Elegir una potencia de diseño]. 22. Aplicación de los sistemas eólicos en bombeo y riego. 23. Aplicación de los sistemas eólicos en telecomunicaciones. 24. Estudio de portales y/o sistemas de información en Internet de sistemas eólicos. 25. Estudio de instalaciones eólicos existentes. Solución técnica y resultados. 26. Predicción de producción energética en parques eólicos. 27. Análisis del impacto de las palas sobre las aves. 28. Estudio sobre el impacto ambiental. Otros: SISTEMAS VARIOS E HÍBRIDOS 29. Instalación mixta diesel / eólica [autónoma, conectada a red]. 30. Instalación mixta eólica / fotovoltaica [autónoma, conectada a red]. 31. Instalación mixta térmica / fotovoltaica / eólica [autónoma, conectada a red]. 32. Diseño de central eólica / fotovoltaica / hidráulica. 33. Granja con aporte energético eólico. 34. Granja con aporte energético renovable autosuficiente. 35. Diseño de vivienda con sistema renovable autosuficiente. 36. Generación mixta renovable. 37. Estudio sobre el desarrollo tecnológico de las energías renovables. 38. Estudio sobre la información de los satélites para las aplicaciones de la energía del viento. *** Cuando se indica en un trabajo texto entre [ ], quiere decir que se debe elegir entre una de las

posibilidades o alternativas expuestas.



Título del Trabajo Final: Miniparque Eólico

Unidad Temática donde se inscribe el Trabajo Final: Tema 21. Centrales Eólicas

Resumen del Trabajo Final y Objetivos: El objetivo del presente trabajo es el diseño de un miniparque

eólico, construido con turbinas comerciales de pequeño tamaño (6 kW), en la provincia de Ávila. La

energía generada será inyectada en la red eléctrica para obtener un beneficio económico de acuerdo a lo

dispuesto en RD 661/2007, de 25 de Mayo. Además, se realizara un estudio económico para corroborar la

rentabilidad y un estudio medioambiental.



MINIPARQUE EÓLICO DE 36 kW EN AVILA



ÍNDICE

1.- MEMORIA DESCRIPTIVA.

1.1. Objetivo y alcance del proyecto 8

1.2. Características del emplazamiento 8 1.2.1.- Actividad 8 1.2.2.- Instalaciones 9 1.2.3.- Climatología de Ávila 9

1.3. Breve introducción a la energía eólica y su tecnología 9 1.3.1.- El viento. Origen, medida y representación estadística 9 1.3.2.- Potencia generada 11 1.3.3.- Usos típicos de los molinos de viento 13 1.3.3.1.- Bombeo de agua 13 1.3.3.2.- Molienda de grano 14 1.3.3.3.- Aeromotores 15 1.3.3.4.- Aerogeneradores 16 1.3.4.- Tecnología de los aerogeneradores 16 1.3.4.1.- Clasificación según el eje de trabajo 16 1.3.4.2.- Clasificación según el número de palas 17 1.3.4.3.- Clasificación según la posición del rotor 17 1.3.4.4.- Clasificación según sistema de regulación de la velocidad 18 1.3.4.5.- Clasificación según el sistema de orientación 19 1.3.4.6.- Funcionamiento 19 1.3.4.7.- Curva de potencia de un aerogenerador 21

1.3.4.8.- Emplazamiento de la turbina. Torres. 21

1.4. Posibles alternativas y solución adoptada 22



1.5. Descripción general 22 1.5.1.- Generalidades 23 1.5.2.- Características técnicas del aerogenerador 24 1.5.3.- Instalación de los aerogeneradores 24 1.5.3.1.- Zapata de hormigón 24 1.5.3.2.- Torre autoportante 25 1.5.3.3.- Canalización de la línea eléctrica 25 1.5.3.4.- Inversores para conexión a red. 25 1.5.3.5.- Protecciones 26 1.5.3.5.1.- Protecciones en CA 26 1.5.3.5.2.- Puesta a tierra 27

1.5.3.6.- Punto de conexión a la red eléctrica. 27 1.5.4.- Puesta en marcha y funcionamiento 27 2.- MEMORIA DE CÁLCULO 2.1.- Cálculo de la potencia total instalada 28 2.2.- Cálculo de la disposición y separación de los aerogeneradores 28 2.3.- Cálculo de la zapata de hormigón 28 2.4.- Cálculo de la línea eléctrica 30 2.5.1.- Tramo Aerogenerador –Inversor 30 2.5.2.- Tramo Inversor – Punto de conexión a la red 30 2.5.- Elementos de protección y medida. 31



3.- ESTUDIO ECONÓMICO 3.1.- Velocidades medias mensuales en Ávila 31 3.2.- Cálculo de la energía anual generada 32 3.3.- Estudio de la rentabilidad y retorno de la inversión 34 3.3.1.- Presupuesto 34 3.3.2.- Tasa de rentabilidad interna y retorno de la inversión 35 4.- SOSTENIBILIDAD DEL MINIPARQUE EÓLICO 4.1.- Impacto ambiental 37 4.2.- Impacto social 38 4.3.- Impacto económico 38 5.- BIBLIOGRAFÍA 39 6.-URLs 39



1.- MEMORIA DESCRIPTIVA 1.1.- OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO El presente trabajo tiene por objeto el diseño de un miniparque eólico de 30 kW conectado a la

red eléctrica, en la Provincia de Ávila. Se desea aprovechar una finca rústica para la instalación de aerogeneradores de tamaño

doméstico, con la finalidad de que la producción integra de los mismo sea inyectada a la red eléctrica, con el consecuente beneficio económico por su venta, tal como queda expuesto en el RD 661/2007, de 25 de Mayo, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. Además del beneficio medioambiental y social por el ahorro de emisiones contaminantes tipo CO2, SO3 que se producen en otras centrales eléctricas.

El alcance del proyecto se centra en tres aspectos: Primero: presentar una breve introducción a la energía eólica, su principio de funcionamiento,

tipología de las turbinas, sus componentes. Segundo: se efectuara un dimensionado óptimo de la instalación de los aerogeneradores,

aprovechando al máximo la superficie de terreno disponible en función de la dirección del viento y su velocidad. Asimismo se intentara reducir al máximo el impacto ambiental del Miniparque.

Tercero: Se realizara un estudio energético y económico del Miniparque, para poder calcular su

tasa de rentabilidad interna, así como el periodo de retorno de la inversión. Por último, se incorpora un análisis de la sostenibilidad, destacando su impacto social, económico y medioambiental.

1.2.- CARACTERÍSTICAS DEL EMPLAZAMIENTO La finca rústica donde se desea ubicar la instalación del Miniparque Eólico está situada al sur de

la ciudad de Ávila, a unos cuatro kilómetros del casco urbano, en la denominada Dehesa de Ávila. Posee una forma cuadrada y un total de 10000 m2, con un vallado perimetral de malla metálica y sin obstáculos a su alrededor como edificios de gran altura o árboles.

El titular de la finca es XXXXXXXXXXX. El número de identificación catastral es

XXXXXXXXXX. 1.2.1.- ACTIVIDAD La actividad de la finca se concentra básicamente en la explotación agropecuaria mediante el

cultivo del terreno y la utilización de los pastos para el alimento del ganado.



1.2.2.- INSTALACIONES No se dispone de corriente eléctrica ni de agua. A unos 100 m, siguiendo el camino que da

acceso a la parcela, se encuentra una columna eléctrica de la compañía Iberdrola que suministra energía a las fincas colindantes.

Además, dentro de la finca, y ubicada en la periferia, encontramos una pequeña construcción de

32 m2 de área destinada a guardar los aperos y otros utensilios. 1.2.3.- CLIMATOLOGÍA DE AVILA Ávila es la capital más alta de España por encontrarse a 1227 m de altitud sobre el nivel del mar.

La parcela donde se instalarán los aerogeneradores se encuentra a 4 km del casco urbano, por lo que se la supone una altitud de 1200 m aproximadamente.

El clima en Ávila se presenta mediterráneo continentalizado, duro en invierno y tórrido en

verano. La temperatura media anual es de 11,5 ºC con unas precipitaciones anuales de 610 mm de promedio; aunque en la vertiente meridional de la sierra de Gredos, con un clima suave y templado, alcanzan los 1650 mm anuales.

A continuación, se presentan algunos datos meteorológicos de interés (medias anuales): Tª media de las máximas 16 ºC Tª media de las mínimas 5 ºC Nº medio de días de lluvia 95 Nº medio de días de nieve 18 Nº medio de días de granizo 5 Nº medio de días de tormenta 13 Nº medio de días de helada 79 Nº medio de días cubiertos 71 Nº medio de días despejados 76 Dirección y velocidad de viento NO 5 m/s

1.3.- BREVE INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA EÓLICA Y SU TECNOLOGÍA 1.3.1.- EL VIENTO. ORIGEN, MEDIDA Y REPRESENTACIÓN ESTADÍSTICA El viento es la manifestación del aire en movimiento. Es consecuencia directa de la radiación

solar, debido a la redondez de la tierra que origina zonas de diferente insolación y provoca que las masas de aire más calientes, y por lo tanto menos densas, asciendan hacia las capas altas de la atmósfera dejando tras de sí una zona de baja presión. En los polos, el aire es más frío, menos denso, y desciende aumentando la presión. Este aire en movimiento, desde las zonas de alta presión a las de menor presión, es el viento.

Dentro de los vientos de origen local cabe destacar la brisa marina y las corrientes valle –

montaña. La brisa marina se origina como consecuencia de la diferente velocidad de calentamiento y enfriamiento del mar respecto de la tierra. Los vientos generados por la orografía se ven condicionados a sortear los obstáculos que encuentran a su paso. Cuando se ve obligado a pasar por encima de una



montaña tiene que aumentar su intensidad de acuerdo con el teorema de Bernoulli; que afirma que la velocidad de un fluido aumenta cuando la sección por la que pasa disminuye.

Fig. 1: A la izquierda, brisa marina y flujo de aire originado por el día y la noche. A la derecha, viento inducido térmicamente en la ladera de una montaña.

Solo un 2 % de la energía solar que llega a la tierra se convierte en energía eólica. Para medir la dirección del viento se utilizan veletas, mientras que para medir su velocidad se

utilizan los anemómetros, generalmente de cazoletas. La velocidad del viento varía con la altura como consecuencia del rozamiento sobre la superficie

de la tierra. Para conocer la velocidad del viento a una altura determinada a partir de los datos de velocidad a otra altura diferente se utiliza la Ley exponencial de Hellmann:

VH = Vh (H/h)α (1) Donde VH es la velocidad del viento que deseamos conocer a la altura H, Vh velocidad del

viento conocida a la altura h y α es el exponente de Hellmann que viene tabulado en función de la rugosidad del terreno.

Lugares llano con hielo o hierba α = 0,08 - 0,12 Lugares llanos (mar o costa) α = 0,14Terrenos poco accidentados α = 0,13 – 0,16 Zonas rústicas α = 0,2Terrenos accidentados o bosques α = 0,2 – 0.26 Terrenos muy accidentados, ciudades α = 0,25 – 0,4

Dada la enorme variabilidad del viento, resulta obvio que para su estudio hay que recurrir a la

estadística. Para ello se representa la velocidad del viento como una variable aleatoria con una cierta función de distribución.

Normalmente se utiliza la función de distribución de Weibull. Esta distribución viene definida

por dos parámetros, el factor de escala c (m/s) y el factor de forma k (adimensional). k nos indica



como de “puntiaguda” será la distribución, cuanto menor sea el valor de k más plana será la distribución. Mientras que c nos indica el valor medio de dicha distribución.

Los valores de k suelen variar entre 1,2 y 4; no obstante, cuando no se conoce el valor de k para

el emplazamiento suele tomarse k =2, en este caso se conoce como distribución de Rayleigh. La distribución de Weibull tiene la siguiente función de densidad de probabilidad: (2)

Fig. 2: Distribución de Rayleigh (k=2) para diferentes velocidades medias (c). Conocer esta distribución es importante porque nos permite determinar el número de horas que

ha soplado el viento con una determinada velocidad. Este dato, junto con la potencia producida por el aerogenerador (obtenido de su curva de potencia), nos permitirá estimar la energía producida por la máquina.

1.3.2.- POTENCIA GENERADA La energía que posee el viento es energía cinética causada por una masa de aire en movimiento: Ec = ½ m v2 (3) Donde m es la masa del aire en kg y v es la velocidad instantánea del viento en m/s. La masa de

esta cantidad de aire en movimiento es igual a la densidad ρ (kg/m3) por el volumen V (m3): m = ρ V (4)



Fig. 3: Área barrida por un rotor de diámetro D. A su vez, el volumen V (m3) del cilindro (véase fig. 3) es igual a el área barrida A (m2) por el

espacio recorrido, siendo este igual a la velocidad v (m/s) por el tiempo t (s). Introduciendo todo en la expresión 3 tenemos:

Ec = ½ ρ A t v3 (5) Por tanto, la potencia P (W) será: P = Ec/t = ½ ρ A v3 (6) De esta ecuación se pueden extraer algunas conclusiones: Primera: La potencia es directamente proporcional a el área barrida por las palas, y por tanto de

la longitud de estas, siendo totalmente independiente de su número. Segunda: La potencia es directamente proporcional a la densidad del viento. La densidad varía

con la altura y la temperatura del aire. Esto es muy importante, ya que en la ciudad de Ávila situada a 1200 m de altitud la densidad del aire es menor y por tanto la energía que podremos extraer del mismo. La mayoría de los fabricantes prueban sus máquinas en condiciones normales (15ºC, 1 atm y 1,225 kg/m3) para conocer la energía que producen. Sabiendo que la densidad media del aire es Ávila es 1,086 kg/m3 (véase fig. 4) podemos determinar cuanta energía obtendremos respecto a los datos proporcionados por el fabricante:

PAvila = P (15ºC, 1,225 kg/m3) (ρ Ávila / ρ 1,225 kg/m3) = P (15ºC, 1,225 kg/m3) (1,086/1,225) PAvila = P (15ºC, 1,225 kg/m3) 0,886 En Ávila obtendremos un 11,4 % menos de energía respecto de los datos proporcionados por el

fabricante (la curva de potencia de la turbina).



Fig. 4: Valores de la densidad de aire en función de la altitud. Tercera: La potencia extraída es directamente proporcional al cubo de la velocidad del viento.

Esto significa que si tenemos un error en la medición de la velocidad, posteriormente se triplicara al calcular la energía producida.

Hay que destacar que no toda la energía del viento puede ser extraída con el aerogenerador. En

1919 Albert Betz demostró que el rendimiento máximo que podemos extraer de una turbina es del 59%, lo que se conoce como límite de Betz.

Además, habrá que considerar pérdidas mecánicas (6%), pérdidas eléctricas (11%) en cableados

y componentes electrónicos… por lo tanto el rendimiento final del la turbina rara vez sobrepasa el 30%.

1.3.3.- USOS TÍPICOS DE LOS MOLINOS DE VIENTO 1.3.3.1.- BOMBEO DE AGUA Las turbinas empleadas para este propósito suelen ser molinos multipala de arrastre. Este molino

típicamente americano es de giro lento y proporciona un elevado par motor. Hizo su aparición hacia 1800 con diámetros comprendidos entre 3 y 8 m, con velocidades de arranque comprendidas entre 2 y 3 m/s aunque no alcanzan su potencia máxima hasta velocidades mayores. Su rotor está formado por numerosas palas metálicas de perfil no aerodinámico que el viento arrastra para conseguir el giro del eje.

La potencia de estas máquinas se puede calcular de forma aproximada con la siguiente

expresión: P = 0,15 D2 v3 (7) Donde D es el diámetro en m, y v la velocidad del viento en m/s.



Fig. 5: Típico molino multipala para el bombeo de agua con bomba de pistón. Para bombear agua el rotor acciona un mecanismo de biela – manivela que provoca un

movimiento de vaivén en una varilla que va directamente conectada a la bomba de pistón. 1.3.3.2.- MOLIENDA DE GRANO Bien conocidos en España son los Molinos de la Mancha que se utilizaban para la molienda del

grano. Son molinos de grandes dimensiones, 15 m de alto y 7 m de diámetro generalmente.

Constituidos por cuatro aspas hechas de madera, dispuestas entre sí perpendicularmente, que el molinero cubría con una tela para el sistema empezara a funcionar. Los más sofisticados disponían de un sistema de rodamientos en la cubierta del molino que permitía orientar el conjunto de las aspas en la dirección del viento, para ello el molinero debía mover el llamado palo de gobierno.

Son máquinas lentas con un gran par de giro que se aprovechaba mediante unos engranajes

sencillos que finalmente accionaban unas piedras circulares de granito entre las que se dejaba caer el grano lentamente para que se desmenuzara y poder obtener la harina por un lado y el salvado por el otro.



Fig. 6: Funcionamiento de un molino de grano. 1.3.3.3.- AEROMOTORES El aeromotor es sencillamente una turbina eólica cuyo par de giro se canaliza a través de

engranajes para disponer en las proximidades del molino una toma de fuerza que puede ser aprovechada para múltiples usos: accionamiento de maquinas de trabajo como fresadoras, sierras de cinta, tornos… también para producir electricidad e incluso en determinados casos para la calefacción.

La instalación suele disponer de una caja de cambios, similar a las de los automóviles, que

permite al operario cambiar la velocidad de giro así como el par del eje motriz en función del uso al que vaya destinado.

Fig. 7: Usos del aeromotor.



1.3.3.4.- AEROGENERADORES Hoy en día el principal uso de las turbinas eólicas es como generadores eléctricos. El

funcionamiento resulta muy sencillo. En los grandes aerogeneradores (600 kW) de los parques eólicos el buje va conectado a una caja multiplicadora y esta a su vez hace girar el generador.

En cambio, en los aerogeneradores de tamaño doméstico (5 – 15 kW) se prescinde de esta

multiplicación, al tratarse de aerogeneradores rápidos, y se conecta directamente el buje con el generador. El generador de este tipo es usualmente trifásico de imanes permanentes de neodinio. Posteriormente la corriente trifásica es rectificada mediante un puente de diodos y convertida a corriente continua. Este tipo de aerogeneradores se trataran más profundamente en el siguiente capítulo.

Fig. 8: Funcionamiento aerogenerador de 600 kW 1.3.4.- TECNOLOGÍA DE LOS AEROGENERADORES A continuación se estudiarán los diferentes tipos de aerogeneradores clasificándolos según sus

características técnicas. Nos centraremos en aerogeneradores de pequeño tamaño para uso doméstico. 1.3.4.1.- CLASIFICACIÓN SEGÚN EL EJE DE TRABAJO Los aerogeneradores se clasifican dependiendo de si el eje de rotación de las hélices es

horizontal o vertical. Los dos tipos de aerogeneradores de eje vertical más extendidos son el aerogenerador Savonius y el Darrieus:



Las turbinas de eje horizontal son las más extendidas con diferencia. Además, han sido las más estudiadas y con las que se ha alcanzado el mayor rendimiento en la extracción de energía del viento.

1.3.4.2.- CLASIFICACIÓN SEGÚN EL NÚMERO DE PALAS Hay que dejar claro que no por tener más palas se tendrá más potencia. Podemos encontrar

rotores monopala, bipala, tripala y multipala. Rotores monopala: No son muy conocidos por sus desventajas. Un rotor monopala presenta el

inconveniente de no tener equilibrado el rotor, para solucionarlo se coloca un contrapeso en el lado contrario de la pala y por tanto no resulta muy adecuado, simplemente sería más conveniente colocar otra pala en lugar del contrapeso.

Rotores bipala: Más conocidos, sobre todo porque el fabricante español Bornay

Aerogeneradores los utiliza en sus máquinas de pequeña potencia. No obstante, siguen presentando algunos inconvenientes. Las fuerzas que experimentan las palas en un aerogenerador bipala no están compensadas en todo su radio de giro. Además, cuando las palas están en posición vertical, la inferior sufre un menor empuje debido a las turbulencias de la torre, para compensar estas diferencias se requiere un buje oscilante, tal como lo tienen los aerogeneradores Bornay. Cuando el conjunto rota sobre sí mismo para orientarse al viento, lo hace me manera inestable, ya que su inercia es mayor cuando las palas están en la horizontal. Son aerogeneradores rápidos, con un alto nivel de ruido y un bajo par de arranque.

Rotores tripala: Todos los problemas antes comentados se solucionan añadiendo una tercera

pala. Las fuerzas experimentadas se distribuyen y se compensan mejor entre ellas; son más silenciosas, con mayor par de arranque y mucho más estables en la rotación para su orientación.

Rotores multipala: son conocidos por su utilización en el bombeo de agua. Son máquinas lentas

que arrancan con velocidades de viento muy bajas, con un alto par de arranque. Las palas suelen estar construidas con chapa de acero galvanizado, cubriendo casi toda la rueda.

1.3.4.3.- CLASIFICACIÓN SEGÚN LA POSICIÓN DEL ROTOR Se clasifican en máquinas de barlovento o sotavento dependiendo de la incidencia del viento en

el rotor. La mayoría de los fabricantes optan por la posición de barlovento, en las que el viento llega al rotor después de incidir en las palas. La fabricación en barlovento es más sencilla y sus esfuerzos más compensados y homogéneos.

Fig. 9: Izquierda, aerogenerador a sotavento. Derecha, aerogenerador a barlovento.



1.3.4.4.- CLASIFICACIÓN SEGÚN EL SISTEMA DE REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD Para protegerse de los efectos destructivos de los vientos fuertes los aerogeneradores disponen de

diversos sistemas de regulación. La mayoría de las pequeñas turbinas se pliegan horizontalmente gracias a un pivote que hace que

el rotor gire hacia la cola.

Fig. 10: Una Turbina Wisper 500 en el proceso de plegado horizontal. Otras turbinas se pliegan verticalmente, este es el sistema adoptado en los aerogeneradores

Bornay.

Fig. 11: Un Bornay modelo Inclín neo 1500 plegándose verticalmente. Varios diseños de turbina cambian el ángulo de sus aspas debido a la fuerza del viento o gracias

a contrapesos situados estratégicamente que al alcanzar mucha inercia flexionan la pala.

Fig. 11: Izquierda, aerogenerador de la casa Solener. Obsérvese los contrapesos en las palas. Derecha, detalle de un

mecanismo de cambio de paso mediante contrapesos (15).

Por último, existen mecanismos más sofisticados de frenado como pueden ser los frenos

aerodinámicos. Son más utilizados en máquinas bipala, aunque también hay versiones para los tripala. Consisten en unas zapatas de metal que ofrecen muy poca resistencia al viento en régimen normal, pero al aumentar la velocidad de rotación, se abren, ofreciendo resistencia al viento y frenando la hélice.



Fig. 12: Detalle de un freno aerodinámico y su mecanismos de acción. En el caso de las grandes multipalas de bombeo eólico es usual regular su velocidad mediante

una paleta desorientadora. Esta paleta se coloca a 90º respecto la veleta de orientación y suele ocupar entre un 5 -10% del área de esta. Su función es desorientar el molino en caso de vientos fuertes.

1.3.4.5.- CLASIFICACIÓN SEGÚN EL SISTEMA DE ORIENTACIÓN Los aerogeneradores de tamaño doméstico orientan su rotor al viento de forma pasiva, mientras

que los grandes aerogeneradores de 600 kw utilizan sofisticados mecanismos mediante servomotores y controles digitales de orientación. Dentro de las formas pasivas para orientar una turbina al viento encontramos las siguientes:

Orientación pasiva a contraviento con cola de veleta. La opción que adoptan la mayoría de

fabricantes de miniturbinas. Orientación pasiva a contraviento con cola de ventilador. Se trata de dos pequeñas turbinas

situadas en la cola que orientas el rotor de cara al viento.

Fig. 13: Orientación pasiva con cola de ventilador Orientación pasiva de espaldas a viento por conicidad. Típico de los aerogeneradores que

trabajan a sotavento. 1.3.4.6.- FUNCIONAMIENTO Para explicar el funcionamiento vamos a centrarnos en el Aerogenerador Bornay 6000, como se

puede ver su construcción es sencilla.



Todo el proceso comienza cuando el viento llega a las palas. Estas se mueven por dos

procedimientos: por arrastre, porque el viento las empuja y por elevación ya que gracias a su diseño aerodinámico sufren una sustentación de modo similar a las alas de un avión, y por tanto son más eficaces y más rápidas.

Como se trata de una máquina eólica rápida el rotor va directamente conectado con el eje del

alternador sin multiplicación alguna. Para generar la energía se utiliza un alternador de imanes permanentes de neodimio, por su sencillez y eficacia. Este alternador está formado por un conjunto de bobinas e imanes, que al girar uno sobre el otro inducen una corriente eléctrica

La corriente eléctrica generada se conduce de forma trifásica (de esta forma hay menos pérdidas

en el cableado) hasta el cuadro regulador del aerogenerador, donde la corriente es rectificada mediante un puente de diodos en corriente continua para ser utilizada en diferentes usos: carga de baterías, producción de agua caliente mediante resistencias o, como será nuestro caso, mediante un inversor transformar la corriente continua (DC) en corriente alterna (AC) de la misma frecuencia y voltaje de la red eléctrica para su inyección en la misma.

El cuadro control, además de rectificar la corriente, dispone de un sistema de frenado del

aerogenerador mediante el cortocircuitado de sus tres fases que puede ser accionado por el usuario o de manera automática si el regulador incorporado detecta que las baterías están llenas.

El aerogenerador incorpora un sistema pasivo de protección contra vientos fuertes por plegado

vertical (cabeceo) mediante unos cilindros hidráulicos.



1.3.4.7.- CURVA DE POTENCIA DE UN AEROGENERADOR En la curva de potencia se representa la producción energética de la turbina frente a la velocidad

del viento.

Fig. 15: Curva de potencia del Bornay 600. En la curva de potencia podemos distinguir tres puntos diferentes. Una velocidad Va o velocidad

de arranque con la que el aerogenerador empezaría a funcionar pero entregaría muy poca potencia, en el gráfico 15 se correspondería con Va = 3 m/s. Una Vn o velocidad nominal con la cual el aerogenerador entregaría su potencia nominal, Vn = 12 m/s. Por último tenemos una Vp o velocidad de parada en donde actúan los mecanismos que evitan que la turbina se embale con vientos fuertes y pueda estropearse, Vp = 14 m/s.

Resulta importante conocer la curva de potencia de un aerogenerador ya que junto con la

distribución de Weibull del lugar, nos permitirá estimar la energía producida por la turbina de un modo más preciso que si utilizáramos la expresión (6) para calcular la potencia. Hay que recordar que la curva de potencia la obtiene el fabricante de forma experimental para unas condiciones normalizadas 15ºC, 1 atm y ρ = 1,225 kg/m3; sí estas condiciones cambiaran en el lugar de emplazamiento tendríamos que realizar las correcciones necesarias.

1.3.4.2.- EMPLAZAMIENTO DE LAS TURBINAS. TORRES El parámetro más importante para la elección de un emplazamiento es la velocidad del viento.

Generalmente es necesario hacer un estudio riguroso del emplazamiento para poder obtener una estimación fiable, aunque esto solo resulta rentable en el caso de los grandes parques eólicos, para otro tipo de instalaciones se suelen utilizar los datos del Instituto Eólico Nacional o alguna otra base de datos fiable.

Además de tener en cuenta la velocidad nos interesa instalar la turbina en una zona libre de

obstáculos, para que no haya turbulencias, y lo más alto posible. Recordemos que a mayor altura mayor velocidad del viento y más constante y con menos turbulencias. No obstante, torres muy altas encarecerían demasiado la instalación, por lo que hay que llegar a una solución de compromiso entre altura y coste. Para los aerogeneradores de pequeño tamaño suele ser suficiente con torres de 10 – 15 m.

Otros factores a considerar son el ruido de las hélices y las piezas mecánicas al girar. Un

apropiado diseño puede reducir mucho el ruido pero aún así puede resultar molesto si el aerogenerador se instala en zonas próximas a viviendas. También hay que tener en cuenta la vibración de la torre



cuando la turbina está en funcionamiento, por lo que no se recomienda instalarlas en lo alto de las azoteas o sujetas a edificaciones, a no ser que se tomen las debidas precauciones como amortiguar dichas vibraciones con tacos de goma u otros sistemas.

Fig. 16: Formas correctas e incorrectas de instalar un aerogenerador en función del emplazamiento.

Para la instalación de los aerogeneradores existen diferentes tipos de torres pudiéndose clasificar en torres autosoportadas y torres con vientos. Dentro de las primeras encontramos la torre trípode, torre octaédrica o las torres eléctricas constituidas por fuertes estructuras metálicas. Las torres con vientos están constituidas por tramos unidos de tubos de acero a los que se enganchan unos cables tensores o vientos en disposición triangular de 120º, para que la torre no pueda desequilibrarse en ninguna dirección.

Fig. 17: Diferentes tipos de torres para instalar los aerogeneradores. 1.4.- POSIBLES ALTERNATIVAS Y SOLUCIÓN ADOPTADA Para la construcción del miniparque eólico se ha tenido en cuenta el espacio disponible para la

instalación de los aerogeneradores, la dirección predominante del viento y su velocidad. Para la elección de las turbinas se ha considerado que sea de un fabricante español, para la fácil

reposición de materiales es caso de de avería, de potencia comprendida entre 5 – 10 kW y de casas comerciales de reconocido prestigio en nuestro país. Con este criterio, se han estudiado las siguientes máquinas:



Solener VII. Del fabricante madrileño Solener y con una potencia de 7,5 kW. Esta

diseñado para la conexión a red y dispone de un inversor específico para él. Las características técnicas pueden descargarse de la página web del fabricante: http://www.solener.com/descargas.html

Aenair 7,5: Del fabricante alicantino AENAIR y con una potencia de 7,5 kW, también

dispone de inversor para conexión a red. http://www.enair.es/aerogenerador/modelo_7_5

Aerogenerador Renovables del Sur 5 kW: Del fabricante sevillano Amiganet que lleva

proyectando e instalando renovables desde 1996. Está diseñado para la conexión a red y sus características pueden descargarse de su web: http://renovablesdelsur.es/detalle/aerogeneradores/aerogenradores-para-red/aerogenerador-5000w---torre-12-mts---inversor-conexion-a-red/400/407

Bornay 6000: Del fabricante Bornay, situado en Castalla (Alicante), con una potencia de

6000 W y un inversor para conexión a red específicamente diseñado para él. http://www.bornay.com/eolica/es/otros-productos/5

Finalmente se opta por el Bornay 6000 debido a sus características técnicas (véase apartado 1.5.2

características técnicas), sistema de regulación mediante inclinación vertical, así como los materiales con los que está construido. Además, se tiene la certeza de su fiabilidad por conocer instalaciones con este aerogenerador con pocas o ninguna avería a lo largo de los años.

1.5.- DESCRIPCIÓN GENERAL A continuación, se procederá a describir los pormenores de la instalación de los aerogeneradores. 1.5.1.- GENERALIDADES Se instalaran seis aerogeneradores Bornay 6000, con una potencia total en el Miniparque Eólico

de 36 kW. Los aerogeneradores estarán colocados en línea recta, de forma que el conjunto quede

perpendicular a la dirección predominante del viento (NO) para así evitar en lo posible los efectos de las estelas. Están separados entre sí una distancia equivalente a cinco diámetros, es decir, 20 m.

Cada aerogenerador estará soportado por una torre autoportante y una zapata de hormigón

enterrada. Cada torre estará conectada a tierra para evitar descargas atmosféricas. Los inversores y demás equipo de protección, así como los contadores se instalarán en la caseta

situada en la finca.



1.5.2.- CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL BORNAY 6000

1.5.3.- INSTALACIÓN DE LOS AEROGENERADORES 1.5.3.1.- ZAPATA DE HORMIGÓN Para la realización del cimiento de hormigón deberá efectuarse una excavación con una

superficie de 4 x 4 m2 y una profundidad mínima de 1 m, procurando que el fondo quede nivelado y limpio.

Sobre el fondo de la excavación, se verterá una capa de 10 cm de hormigón de limpieza, tipo

medio, con una resistencia de 100 kg/cm2. Posteriormente se colocarán unas armaduras consistentes en malla de acero tipo AEH de 16 mm y 10 mm de diámetro, colocadas a 20 x 20 cm, dobladas en sus extremos con un radio de 7 cm. Separadas entre sí otros 7 cm, mediante separadores metálicos, perpendiculares a la estructura, y unidos con alambre de atar de 1- 2 mm.

Por último, se lleva a cabo el hormigonado con hormigón en masa fabricado con árido rodado de

20 mm de tamaño máximo y 205 kg/cm2 de resistencia, de consistencia plástica.



1.5.3.2.- TORRE AUTOPORTANTE Se utilizara una torre autoportante de tipo eléctrico de 12 m de altura, se colocara en la

excavación antes de su hormigonado, entre las armaduras, asegurándose que queda perfectamente nivelada. Después del hormigonado, la torre quedara inmersa un metro aproximadamente y se comprobará, mientras el hormigón este fresco, que sigue nivelada.

1.5.3.2.- CANALIZACIÓN DE LA LÍNEA ELÉCTRICA. La canalización de la línea eléctrica queda dividida en dos tramos. El primer tramo se compone

de la canalización desde los aerogeneradores hasta la caseta donde se colocarán los inversores y la aparamenta de protección de la instalación. El segundo tramo comprende desde los inversores hasta el punto de conexión a la red.

La canalización del primer tramo será enterrada en una zanja con una anchura de 0,60 m y una

profundidad de 0,80 m, según lo establecido en el REBT. El trazado será paralelo a la instalación de los aerogeneradores para acortar al máximo las longitudes hasta la caseta. Realizada la zanja, se colocara una capa de arena cribada de unos 10 cm y se compactará. Seguidamente se colocara un tubo corrugado de 110 mm para la conducción establecida de cada aerogenerador. El tubo corrugado contendrá un alambre guía para facilitar el paso de los cables.

La sección del cableado de cada aerogenerador variará en función de la distancia de este hasta la

caseta donde se instalará el inversor. Como norma general, los conductores serán de cobre y tendrán la sección adecuada para asegurar caídas de tensión inferiores al 1,5%.

Sí numeramos los aerogeneradores de acuerdo a su proximidad a la caseta, tendremos el 1 para el

más próximo y así sucesivamente. Por tanto, la sección de la línea trifásica para cada aerogenerador será:

-Aerogenerador nº 1 situado a 12 m de su inversor: 3 x 6 mm2

-Aerogenerador nº 2 situado a 30 m de su inversor: 3 x10 mm2 -Aerogenerador nº 3 situado a 50 m de su inversor: 3 x 16 mm2 -Aerogenerador nº 4 situado a 70 m de su inversor: 3 x 25 mm2 -Aerogenerador nº 5 situado a 90 m de su inversor: 3 x 35 mm2 -Aerogenerador nº 6 situado a 110 m de su inversor: 3 x 50 mm2 La canalización del segundo tramo se efectuará mediante tubo corrugado enterrado, de igual

manera que lo dispuesto para el primer tramo. El cableado será trifásico, después de la interconexión de los inversores dos a dos, con una sección 35 mm2 hasta el punto de conexión a red.

1.5.3.4.- INVERSOR PARA CONEXIÓN A RED El inversor que se utilizara esta específicamente indicado para la conexión a red del

Aerogenerador Bornay 6000. El inversor Aeocon de Bornay trabaja de acuerdo al diagrama de flujo mostrado en la fig. 8. Se

trata de un inversor muy eficiente, con un rendimiento próximo al 95%. Además, incorpora los



elementos necesarios para adecuar las características de la corriente eléctrica generada a las de la red, así como elementos de protección en caso de desconexión de la red o avería.

Fig. 18: Funcionamiento del inversor Aeocon de Bornay

Fig. 19: Interfaz del inversor Aeocon y sus características técnicas. 1.5.3.5.- PROTECCIONES 1.5.3.5.1.- PROTECCIÓNES EN CA A entrada del inversor se ha de colocar un interruptor que cortocircuite las tres líneas

provenientes del aerogenerador, de esta manera podrá frenarse el aerogenerador de manera manual (aunque el inversor lleva su propia regulación) para trabajos de reparación sin corriente en la línea o en caso de que el aerogenerador requiera una revisión.

A la salida de cada inversor se colocara un interruptor magnetotérmico bipolar de 40 A con la

intención de proteger el circuito y de poder desconectar el inversor de la línea si fuera necesario. Todos los inversores dispondrán de conexión a tierra.



Se dispone de seis inversores, cada dos inversores se conectan de forma paralela, de modo que al final disponemos de una línea trifásica más neutro para la conexión a red.

Todas las interconexiones entre inversores y dispositivos de protección se efectuaran con

cableado de sección no inferior a 35 mm2. Se dispondrán los siguientes elementos de protección en un armario normalizado de protección

IP-23: interruptor magnetotérmico trifásico de 40 A, Diferencial tripolar de 40 A y sensibilidad de 30 mA.

Además se pueden incorporar relés automáticos para la desconexión de la red en caso de falla de

red o de que los parámetros de la energía generada sean diferentes a los de la red (220 V y 50 Hz), no obstante se prescinde de estos elementos debido a la avanzada tecnología de los inversores empleados, así como sus medidas de protección.

1.5.3.5.2.- PUESTA A TIERRA Hay que diferenciar dos puestas a tierra, la de las torres autoportantes y la de los inversores. Para conectar a tierra las torres se utilizara un conductor de cobre desnudo de sección no

inferior a 35 mm2 enterrado horizontalmente junto con una pica de 2 m de longitud y 14 mm de diámetro. Cada torre llevara su propia puesta a tierra.

Para la tierra de los inversores se utilizan dos picas enterradas de 2 m y 14 mm de diámetro

separadas dos metros y unidas por cable de cobre desnudo de 35 mm2. Posteriormente, se conectan con los inversores con un conductor aislado de 25 mm2, identificado con los colores amarillo y verde.

1.5.3.6.- PUNTO DE CONEXIÓN A LA RED ELÉCTRICA Hay que recordar que la conexión a la red eléctrica es competencia de la empresa distribuidora

de la energía eléctrica. En el punto de conexión se instalara un armario adecuado para la instalación de un contador

trifásico bidireccional o en su defecto dos contadores, uno para la energía vendida y otro para la consumida. Así como un magnetotérmico trifásico de 40 A para la desconexión por parte de la empresa distribuidora.

1.5.4.- PUESTA EN MARCHA Y FUNCIONAMIENTO Una vez que se ha inspeccionado que todos los elementos están correctamente instalados y las

conexiones eléctricas revisadas, se levantarán los magnetotérmicos, así como la protección diferencial comprobando que no salta ninguno. Se revisara que el diferencial protege adecuadamente presionando el botón test. Después se procederá a desactivar el freno de los aerogeneradores. Se observará en la consola de los inversores que todo marcha correctamente, así como que los aerogeneradores producen corriente.

Pasados algunos días de funcionamiento, se observarán que los contadores miden la energía

inyectada en red.



2.- MEMORIA DE CÁLCULO 2.1.- CÁLCULO DE LA POTENCIA TOTAL INSTALADA Tenemos instalados 6 aerogeneradores cada uno con una potencia nominal de 6 kW, por tanto

tenemos una potencia total instalada de 6 x 6 kW = 36 kW 2.2.- CÁLCULO DE LA DISPOSICIÓN Y SEPARACIÓN DE LOS AEROGENERADORES Debido a las características del emplazamiento se favorece la instalación de los

aerogeneradores en línea recta, de forma perpendicular a la dirección predominante del viento, previniendo de esta forma los indeseables inconvenientes de las estelas.

Como solamente se va a instalar una fila de aerogeneradores, de cara a la dirección

predominante, se considera suficiente una separación entre ellos igual a 5 diámetros. Por tanto, la distancia de separación entre turbinas será igual a 5 x D = 5 x 4 m = 20 m.

2.3.- CÁLCULO DE LA ZAPATA DE HORMIGÓN Para comprobar el correcto dimensionado de la zapata de hormigón que soporta la torre y el

aerogenerador, se utilizan los datos proporcionados por el fabricante. Presión ejercida sobre el terreno: Peso de la torre: 500 kg x 9,8 = 4900 N Peso aerogenerador: 107 kg x 9,8 = 1049 N Peso de la zapata de hormigón: 4 m x 4 m x 1m x 2200 kg/m3 x 9,8 = 344960 N _____________________ 350909 N Presión ejercida sobre el terreno P = Fuerza / superficie = 350909 / 42 = 21932 N/m2

Considerando que el terreno tiene una resistencia de 1,8 kg/m2 equivalente a 176400 N/m2, se admite como correcta la presión de la zapata sobre la superficie del terreno.

Cálculo de la estabilidad del aerogenerador, a partir del diagrama del sólido libre:

Fig. 20: Diagrama del sólido libre para el cálculo de la estabilidad del aerogenerador



Tenemos: Fv fuerza del viento en [N], W peso total del aerogenerador-torre-zapata en [N], O referencia para momentos producidos por los esfuerzos.

Dimensiones: Torre + aerogenerador 12 m Zapata de hormigón 4m x 4m x 1m La suma algebraica de los momentos respecto del origen O nos proporcionara el límite de

estabilidad de la estructura. Hay que tener en cuenta que el centro de gravedad de la zapata esta a 0,5 m y 2 m, justo en el centro de la misma.

Σo = (Fv x 12 m) – (W x 2 m) = 12 Fv – 350909 x 2 = 12 Fv – 701818 = 0 Despejando Fv = 54484 N Por tanto, Fv ejercida sobre el aerogenerador tiene que ser menor. Se calcula: Fv = p x S Donde p en la presión dinámica del viento, en N/m2 obtenida de la tabla de la fig. 21. S es la superficie vertical que ofrece resistencia al viento en m2. S = π x 22 = 12,57 m2

Fig. 21: Tabla donde se muestra la presión dinámica del viento en función de su velocidad Sabemos que el aerogenerador se frena para velocidades superiores a 14 m/s y por tanto deja de

ofrecer tanta resistencia al viento. Para realizar los cálculos tomaremos la presión dinámica del viento sobredimensionada 5 unidades más.

Para 19 m/s la presión dinámica del viento es 221 N/m2 Fv =221 N/m2 x 12,57 m2 = 2778 N por tanto, menor que 54484 N La torre resulta estable, con un amplio margen de seguridad.



2.4.- CÁLCULO DE LA LÍNEA ELÉCTRICA Para determinar la sección de los conductores se tiene en cuenta el apartado 5 de la ITC-BT-40

del REBT, RD 842/2002 de 2 de Agosto de 2002: Los cables de conexión deberán estar dimensionados para una intensidad no inferior al 125%

de la máxima intensidad del generador y la caída de tensión entre el generador y el punto de interconexión a la red de distribución pública no será superior al 1,5% de la intensidad nominal.

2.4.1.- TRAMO AEROGENERADOR – INVERSOR Para calcular la sección de la línea trifásica que va desde cada aerogenerador hasta el inversor

se puede hacer uso de la siguiente fórmula S (mm2):

Donde L es la longitud del conductor en [m], I la intensidad que circula por él en [A], cos φ el

factor de potencia, K la conductividad del conductor (Cu, 56 Ω-1 m-1), e la caída de potencia en [V] No obstante, el fabricante proporciona una tabla con las secciones de cable a emplear en

función de la distancia del aerogenerador a su inversor. Se han comprobado estos valores y confirmado que son seguros.

MODELO I por fase [A]

0 -20 [m]

20 – 40[m]

40 – 60 [m]

60 – 80[m]

80 – 100 [m]

100 – 120[m]

BORNAY 6000

42

6 mm2 10 mm2 16 mm2 25 mm2

35 mm2 50 mm2

2.4.2.- TRAMO INVERSOR – PUNTO DE CONEXIÓN A RED Se utilizará la misma fórmula del apartado 2.4.1. con los siguientes parámetros:

L: el punto de conexión se encuentra a 100 m de la caseta donde se instalan los inversores.

I: cada inversor proporciona una corriente máxima en la salida de 20 A, como están

conectados en paralelo dos a dos, la corriente en cada fase será de 40 A. Seguramente la intensidad será inferior debido a las pérdidas en el cableado, los inversores, etc.

e: caída de potencial, como máximo el 1,5% , por tanto 220 V x 0,015 = 3,3 V

cos φ =1

S = ( √3 x 100 x 40 x 1 ) / ( 56 x 3,3) = 31 ≈ 35 mm2



2.5.- ELEMENTOS DE PROTECCIÓN Y MEDIDA Se instalarán en el tramo trifásico los siguientes elementos: Magnetotérmico trifásico de 40 A

Diferencial trifásico de 40 A y sensibilidad 30 mA

En el punto de conexión se instalara un magnetotérmico trifásico de 40 A para la

desconexión del sistema por parte de la empresa distribuidora y un contador bidireccional, o en su defecto, dos contadores uno para cuantificar la energía vendida y otro la energía consumida.

Para conectar a tierra las torres se utilizara un conductor de cobre desnudo de sección

no inferior a 35 mm2 enterrado horizontalmente junto con una pica de 2 m de longitud y 14 mm de diámetro. Cada torre llevara su propia puesta a tierra.

Para la tierra de los inversores se utilizaran dos picas enterradas de 2 m y 14 mm de

diámetro separadas dos metros y unidas por cable de cobre desnudo de 35 mm2. Posteriormente, se conectan con los inversores con un conductor aislado de 25 mm2, identificado con los colores amarillo y verde.

3.- ESTUDIO ECONÓMICO 3.1.- VELOCIDADES MEDIAS MENSUALES EN AVILA Para la adquisición de datos sobre la velocidad media anual del viento en la provincia de Ávila

se ha recurrido a dos fuentes diferentes. La primera, la base de datos de la NASA, a través de su web http://eosweb.larc.nasa.gov/sse

introducimos la latitud y longitud de Ávila y nos proporciona diferentes datos meteorológicos. En este caso concreto, nos ofrece las velocidades mensuales medias del viento a una altura de 10 m, a la cual hemos instalados nuestros aerogeneradores, para un terreno similar al de los aeropuertos, lo cual nos beneficia ya que estamos considerando campos de cultivo con un coeficiente de rugosidad pequeño.

Fig. 21: Tabla con las velocidades medias mensuales en Ávila, tomada de la base de datos de la NASA

La segunda, está tomada del Atlas Eólico Español del IDAE, a través de la aplicación que

encontramos en su página web http://atlaseolico.idae.es/atlas/ podemos seleccionar un emplazamiento concreto y a continuación nos muestra los parámetros de Weibull para el lugar y una pequeña hoja de cálculo donde introduciendo la curva de potencia del aerogenerador nos calcula la energía bruta



generada por el mismo y la energía neta al aplicarle un factor de corrección por pérdidas en el cableado, en los inversores, etc.

Fig. 22: Interfaz de la aplicación del IDAE donde se observa el mallado (puntos verdes) para la obtención de datos eólicos

Los datos que devuelve la aplicación para Ávila son los siguientes: Rugosidad = 0,1 Parámetro de Weibull C = 5,94 m/s Factor de forma K = 2,142 En este caso las velocidades de viento están medidas a 80 m de la superficie, no obstante cabe

destacar la coincidencia de ambas bases de datos en la velocidad media anual del viento (5,21 y 5,94 m/s respectivamente), con una ligera variación que puede ser debida a la diferente altura a la que se han medido los datos.

3.2.- CÁLCULO DE LA ENERGÍA ANUAL GENERADA Para el cálculo de la energía anual generada por un aerogenerador Bornay 6000 se ha utilizado

la hoja de cálculo que incorpora el atlas eólico nacional IDEA. Para realizar el cálculo se selecciona una ubicación, en este caso Ávila, y se pincha sobre el

botón Generación Eólica, aparece una tabla donde nos indica los parámetros de Weibull así como la rugosidad del terreno y la altitud. A continuación, se introducen los valores de la curva de potencia de la turbina para las distintas velocidades de viento y se selecciona un porcentaje de pérdidas, por



defecto el programa propone el 15% lo que me parece bastante adecuado considerando las pérdidas en el cableado y los inversores.

Por último, presionamos el botón calcular y nos proporciona la energía anual generada en

MWh.

Fig. 23: Captura de pantalla donde se muestra la energía anual generada por un aerogenerador Bornay 6000.

Los resultados obtenidos por la aplicación son: Producción bruta (sin considerar pérdidas) = 15,341 MWh/año Producción neta (considerando 15% pérdidas) = 13,040 MWh/año Los valores calculados son para un aerogenerador, con la curva de potencia para condiciones

estándar, recordemos que por la altitud de Ávila la densidad del aire es menor y hay que aplicar un factor de corrección de 0,886; equivalente a unas pérdidas del 11,4% (véase 1.3.2. Potencia generada). Como nosotros tenemos seis aerogeneradores instalados la producción total será:

Producción total neta Miniparque Eólico = 78,24 MWh/año Producción neta real Miniparque Eólico = 78,24 x 0,886 = 69,32 MWh/año Hay que recordar que esta energía es solo una estimación de lo que se podría generar, ya que el

viento es aleatorio y no se puede controlar.



3.3.-ESTUDIO DE LA RENTABILIDAD Y RETORNO DE LA INVERSIÓN

A continuación se propone un cálculo aproximado del coste total de la instalación para posteriormente calcular la tasa interna de rentabilidad y el período de retorno de la inversión.

3.3.1.- COSTE TOTAL DE LA INSTALACIÓN

DESCRIPCIÓN UNIDADES PRECIO (€)/UNIDAD IMPORTE (€)

Aerogenerador Bornay 6 24021,85 144131,1 6000 incluye inversor para venta a red

Torre autoportante 6 1555,24 9331,44 P750 – 13 m Zapata hormigón 96 m3 60 5760 armado Conductor Cu RV-K 36 m 1,05 37,8 0,6/1Kv 6mm2 Conductor Cu RV-K 90 m 1,66 149,4 0,6/1Kv 10mm2 Conductor Cu RV-K 150 m 2,49 373,5 0,6/1Kv 16mm2 Conductor Cu RV-K 210 m 3,91 821,1 0,6/1Kv 25mm2 Conductor Cu RV-K 660 m 5,53 3649,8 0,6/1Kv 35mm2 Conductor Cu RV-K 330 m 8,48 2798,4 0,6/1Kv 50mm2 Magnetotérmico bipolar 6 25 150 40 A, en carril DIN Magnetotérmico tetrapolar 40 A, en carril DIN 2 50 100 Diferencial tetrapolar 1 200,72 200,72 40 A, 30mA Contador bidireccional 1 280 280 de energía reactiva, trifásico Varios 1 350 350



TOTAL MATERIALES (IVA incluido)……………………168133,26 € INSTALACIÓN, INGENIERÍA Y PUESTA EN MARCHA (10%)……...…16813,33 € TOTAL………………………..……………………………..184946,59 €

3.3.2.- TASA DE RENTABILIDAD INTERNA Y RETORNO DE LA INVERSIÓN De acuerdo a lo expuesto en el RD 661/2007, de 25 de Mayo se pagará a 0,44038 € / kWh

inyectado durante los primeros 25 años, y a partir de entonces a 0,39230 € / kWh. Según lo revelado anteriormente, nuestra instalación rendirá el siguiente beneficio económico por

la venta de la energía generada: Beneficio económico = 0,44038 € /kWh x 69320 kWh / año = 30527 € / año Para obtener una estimación más real de los ingresos referidos a un año n en concreto, de debe

utilizar la siguiente fórmula: In = Eg pv (1 + tv)

n/(1 + e)n (8) Donde:

In: ingresos en el año n, referidos al primer año. Eg: energía anual generada. pv: precio de venta de la electricidad. tv: tasa de variación del precio de venta de la electricidad. e: interés del dinero. n: número de años.

No obstante, más que conocer los ingresos producidos en el año n, interesa saber en cuanto

tiempo se recuperará la inversión inicial y cuál es su tasa de rentabilidad interna (TIR) para poder calcular el tiempo de retorno de la inversión se utiliza la siguiente expresión:

A Σ((1 + c)/(1 + e))t – M Σ((1 + i)/(1 + e))t – C = 0 (9) Donde:

A: beneficio económico anual por la energía vendida. e: rentabilidad del dinero a un interés e. c: tasa de variación del precio de venta de la electricidad. M: coste de mantenimiento de la instalación en el primer año. i: inflación anual. C: coste de la instalación eólica.



t: tiempo en años. Antes de empezar a calcular vamos a definir el valor de estos índices financieros: - Coste total de la instalación: 184946,59 € - Coste de mantenimiento en el primer año (2%): 3699 € - Inflación: 2,8 % - Variación coste de la electricidad: 5 % - Interés financiero: 4,75 % - Tiempo de vida de la instalación: 20 años - Ingresos anuales por la energía vendida: 30527 € Para poder conocer el tiempo de retorno de la inversión se utiliza la expresión (9). Sustituimos

los índices económicos y vamos dando valores a t (comenzando por el año primero t =1) hasta encontrar un valor de t que haga la ecuación 0. Para la fácil resolución de la ecuación se puede recurrir a un software del tipo Mathematica o Matlab.

30527 Σ((1 + 0,05)/(1 + 0,0475))t – 3699 Σ((1 + 0,028)/(1 + 0,0475))t – 184946 = 0 La ecuación se cumple para t = 7 años, por lo cual: Tiempo de retorno de la inversión = 7 años Para conocer la tasa interna de rentabilidad se utiliza la misma expresión (9), pero esta vez se

coloca en los sumatorios un tiempo t = 20 años, el período de vida previsto para la instalación, y se resuelve por tanteo el valor de r, el parámetro que nos interesa:

30527 Σ20((1 + 0,05)/(1 + r))t – 3699 Σ20

((1 + 0,028)/(1 + r))t – 184946 = 0 Con r = 0,19 se satisface la ecuación. Tasa interna de rentabilidad (TIR) = 19% Con estos valores puede afirmarse que la instalación resulta muy rentable. En seis años se

amortiza el coste de la instalación, comenzando a rendir beneficios a partir de entonces, con un TIR del 19%.



4.-SOSTENIBILIDAD EL MINIPARQUE EÓLICO 4.1.-IMPACTO AMBIENTAL Además del rendimiento económico, los parques eólicos se están implantando por sus

consideraciones ecológicas, tanto en reducción de emisiones contaminantes como en el balance energético.

Todos los kWh inyectados en red por una instalación eólica supone un ahorro de energía

generada por otras fuentes, por ejemplo termoeléctrica, con mayor o menor grado contaminante. Esto conlleva, un ahorro de emisiones contaminantes y por supuesto, un beneficio ecológico.

Actualmente, han cobrado una gran importancia, debido al Cambio Climático, los gases de

efecto invernadero: CO2, CO, NO2, NO3, CH4 y SO2. De todos ellos el más significativo es el CO2, generador en toda combustión de materiales carbonados.

Para poder hacer una estimación del ahorro en gases contaminantes que produciría nuestra

instalación, vamos a tener en cuenta las emisiones medias de una central que quema gas natural (GN) para la producción de electricidad (fig. 24).

Teniendo en cuenta los datos de la tabla y que nuestra instalación eólica genera 69,32 MWh /

año, se estima el ahorro de gases contaminantes en un año.

CENTRAL DE GAS NATURAL

GASES EMISIONES ( g / kWh ) SO2 0,11NOX 1,86

NMVOC* 2,54CH4 2,14CO2 645,74

Fig. 24: Emisiones contaminantes de una central que quema gas natural. *NMVOC = compuestos orgánicos volátiles distintos del metano.

Ahorro en dióxido de azufre (SO2): 69320 kWh x 0,11 g/kWh = 7,6 kg SO2/año

Ahorro en óxidos de nitrógeno (NOx): 69320 kWh x 1,86 g/kWh = 128,9 kg NOx/año

Ahorro en metano (CH4): 69320 kWh x 2,14 g/kWh = 148,3 kg CH4/año

Ahorro en dióxido de carbono (CO2): 69320 kWh x 645,74 g/kWh = 44762,7 kg

CO2/año En total, al año se ahorrarían más de 45047 kg de emisiones contaminantes.



En lo que respecta al impacto ambiental ocasionado por la implantación del Miniparque Eólico se considera que el impacto principal es el efecto visual sobre el paisaje aunque se ha intentado disponer los elementos de una manera ordenada siguiendo las líneas de contorno del terreno, lo que visualmente la hace más atractiva. En cuanto a la instalación de inversores y elementos de protección se ha utilizado una antigua edificación, minimizando así el deterioro del medio.

No obstante, mientras la instalación este en uso, el impacto es prácticamente despreciable y, en

cuanto al final de su vida útil, pueden establecerse claras vías de reciclaje o reutilización. En el medio físico y biótico, no existen alteraciones importantes ni sobre la calidad del aire, ni

sobre los suelos, flora y fauna. 4.2.- IMPACTO SOCIAL La energía eólica ofrece la oportunidad de emplear una energía renovable en el ámbito rural

generando una electricidad respetuosa con el medio ambiente. Un sistema eólico por lo tanto, ayuda a sensibilizar a la población para el ahorro energético y

un consumo responsable de los recursos energéticos. 4.3.- IMPACTO ECONÓMICO Para fomentar la instalación y puesta en funcionamiento de los Miniparques eólicos conectados

a red, se ha impuesto un buen rendimiento económico a estas instalaciones mediante sucesivos Reales Decretos.

Conclusión: el balance económico es claramente favorable a la instalación de estos sistemas

conectados a red.



5.- BIBLIOGRAFÍA

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Trabajo realizado por Luis Carlos Galán Sáez, Mayo 2011.

PROGRAMA DE POSTGRADO, UNED – CURSO 2010/2011 Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica...

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