Principios Clave de Aerodinámica y Operación en Sistemas de Energía Eólica

Principios Fundamentales de Aerodinámica Eólica y Diseño de Aerogeneradores

Conceptos Aerodinámicos y Circulación de Vientos

• Sustentación y Arrastre: La sustentación es más eficiente que el arrastre en la generación de par.
• Célula de Ferrel: Determina la circulación general de vientos en la zona templada (entre trópicos y círculos polares). La dirección es de Sur a Norte (S a N) en el hemisferio Norte, y al revés en el hemisferio Sur.
• Velocidad Tangencial Óptima: La velocidad (v) tangencial óptima en el extremo de la pala de un determinado modelo de aerogenerador de eje horizontal es independiente del tamaño y de la velocidad (v) de giro.
• Teoría de Glauert: Asume que a sotavento el viento adquiere una componente de rotación contraria a la del giro del rotor.
• Comportamiento del Filete: El comportamiento de un filete de un aerogenerador viene caracterizado indistintamente por la ecuación de conservación de la cantidad de movimiento o del momento cinético para una hélice confinada en un conducto. En una hélice libre, ambas deben combinarse.
• Fuerza de Arrastre: La componente de la fuerza de arrastre sobre el perfil siempre reduce el par en el eje, para un viento y una velocidad de arrastre dada.

Operación y Rendimiento del Rotor

• Irregularidad del Viento: La irregularidad de los vientos a nivel local NO provoca importantes fluctuaciones en la calidad de la onda generada por las máquinas eólicas actuales.
• Rotor Savonius: El rotor Savonius de eje vertical tiene direcciones que dan un par nulo.
• Viento en la Atmósfera: En capas altas de la atmósfera, el viento sopla en dirección paralela a las líneas isobaras. En la capa límite, presenta inclinación, siendo mayor cuanto más cerca estemos de la superficie.
• Condición de Salida Cero: Para un viento dado, si la velocidad (v) de salida del rotor es igual a 0: la fuerza axial es MÁXIMA y la potencia NO se anula.
• Coeficiente de Potencia (Cp): El coeficiente de potencia de un aerogenerador dado depende fundamentalmente de la velocidad (v) del viento y de su velocidad (v) de giro, y en menor medida de su diseño.
• Efecto de Estela (Jensen): Según Jensen, la pérdida de potencia en una máquina, provocada por la estela de otra situada aguas arriba, depende del coeficiente de fuerza de la máquina.
• Torre Eólico-Solar: La torre eólico-solar puede producir energía eólica en ausencia de viento (por efecto de convección).
• Mecanismo de Orientación (Yaw): El mecanismo de orientación de la góndola de un gran aerogenerador actúa sobre varios puntos de la corona, diametralmente opuestos.

Consideraciones de Diseño, Extracción de Agua y Factores Operacionales

Aeromotores y Extracción de Agua

• Profundidad de Extracción: Un aeromotor permite extraer agua de perforación con nivel de superficie libre a más de 10 metros de profundidad.
• Regulación de Par: La solución para evitar tener que regularizar el par de un aeromotor es extraer agua del pozo mediante bomba de pistones de doble efecto: Falso. Es obligatorio utilizar bombas de simple efecto.

Factores de Carga y Distribución de Viento

• Distribución de Rayleigh: El coeficiente de variación que mide la relación entre la desviación típica y la velocidad media (Vm) es constante.
• Relación de Transmisión: Para una determinada velocidad de giro del generador eléctrico, la relación de transmisión de la caja multiplicadora aumenta con el tamaño y la potencia del aerogenerador.
• Factor de Reducción (a): La reducción de la velocidad del viento a sotavento al pasar por un aerogenerador (factor a) depende de su geometría, acabado y fundamentalmente de la velocidad de giro del rotor.
• Cálculo de Horas de Utilización: Para calcular las horas de utilización de un parque eólico NO hay que tener en cuenta los periodos de calma, pero SÍ para el factor de carga.

Sistemas Auxiliares y Presión

• Equipo Hidráulico: La misión del equipo hidráulico en un aerogenerador moderno es cambiar el ángulo de paso de las palas (cuando son orientables), pero también es necesario en aerogeneradores de palas fijas para orientar la góndola.

Cálculo de Presión Máxima en el Rotor (1 MW)

La diferencia de presión (Dif de p) entre una cara y otra del rotor de un aerogenerador puede alcanzar el equivalente a 10 mca (metros de columna de agua) en máquinas de 1 MW de potencia.

Verificación del cálculo: Si la velocidad máxima aprovechable es $25 \text{ m/s}$, se tiene que:

$$ \frac{V^2}{2g} = \frac{25^2}{2 \times 9.81} \approx 31 \text{ metros columna de aire (mc aire)} $$

Esto equivale a:

$$ \frac{31 \text{ mc aire}}{1.2 \text{ (densidad relativa)}} \approx 26 \text{ mm columna de agua (mmc agua)} = 0.026 \text{ mca} $$

Nota: La afirmación inicial de 10 mca contrasta fuertemente con el cálculo de 0.026 mca basado en la velocidad máxima aprovechable.