What is the power coefficient?

La efficiency of a wind turbine is defined as the power coefficient (C_p), which is specific to the design of each turbine. The efficiency of a wind turbine is calculated as the ratio between the mechanical power generated by the blades (P_mec) and the wind power (P_w). The wind power is defined as the kinetic energy per mass of wind moving (V_w) across a blade-swept surface (A), which is defined by the air density (). The air density is approximately equal to 1,225 kg/m³ at sea level and at a temperature of 15°C.

La maximum theoretical value of the power coefficient is obtained through the application of Ley de Betz, which indicates that the maximum value is approximately equal to 59%. This implies that the wind turbine is capable of converting a maximum of 59% of the kinetic energy of the wind into mechanical energy.

Mathematical model of the Power Coefficient

The power coefficient surface of an individual wind turbine model can be described as a function of its aerodynamic characteristics, the tip-speed ratio (λ), and the pitch angle (β). Commonly used models for defining the power coefficient (C_p) include the exponential model, which is outlined as follows:

The tip speed ratio is defined as the ratio between the magnitude of the tangential velocity and the magnitude of the wind speed.

Donde is the angular velocity of the wind turbine and R_t is the radius of the wind turbine.

The figure below shows the power coefficient surface as a function of λ (rad) from 0 to 15 rad and β (sexagesimal degrees) varying from 0° to 45°. The maximum value of the power coefficient is approximately equal to 0.425 and is given for a pitch angle (β) equal to 0° and a tip-speed ratio (λ) equal to 6.9.

It can be observed that an increase in pitch angle (β) results in a reduction in power coefficient. This establishes the fundamental concept of mechanical power control by pitch angle in zone 4 of the wind turbine power curve.

Each power coefficient curve generated by different values of beta exhibits a maximum value. When the wind turbine is operating at partial load, the angle β is equal to zero.   

Relationship between the number of blades and wind turbine efficiency

Figure 3 depicts the distinct power coefficient curves for various categories of wind turbines. In a series of wind tunnel experiments, Poul La Cour reached the following conclusion: “More blades does not mean more power”. This shows that an increase in the number of blades on a wind turbine results in a corresponding decrease in efficiency. American multi-bladed wind turbines are the least efficient, whereas the most efficient are three-bladed and two-bladed wind turbines. The rationale for selecting a three-bladed wind turbine, despite its slightly lower efficiency compared to the two-bladed, is based on technical and economic considerations. For example, to generate the same power, a three-bladed wind turbine requires a lower rotational speed than a two-bladed one.

For different rotor types, the optimum tip-speed ratio varies. For multi-bladed wind turbines, λ has a value of approximately one, and as the number of blades decreases, λ increases. For example, the power coefficient curves in Figure 2 correspond to a three-bladed wind turbine. This type of wind turbines, which are the most widely used at the industrial level, have an optimum tip speed between 6 and 8 rad.

Conclusión

The power coefficient (C_p) is a fundamental parameter for evaluating the efficiency of a wind turbine, as it quantifies the fraction of wind energy that is converted into mechanical energy. According to Betz’s Law, the theoretical maximum value of C_p is 59%. Various factors, including the tip-speed ratio (λ) and pitch angle (β), exert a direct influence on C_p. Three-bladed wind turbines exhibit the highest efficiency at the industrial scale. By optimizing C_p through rigorous design and control, it is possible to maximize wind power generation.

Referencia

[1] Burton, T., etc., Sharpe, D., Jenkins, N., & Bossanyi, E. (2001). Wind Energy Handbook. John Wiley & Sons.

[2] Ackermann, T. (Ed.). (2012b). Wind Power in Power Systems: Ackermann/Wind Power in Power Systems. Wiley-Blackwell.

La teoría de los marcos de referencia utiliza transformaciones matemáticas para simplificar el modelado, el análisis y la simulación de circuitos trifásicos equilibrados, convertidores de potencia y máquinas eléctricas. En ingeniería eléctrica se utilizan tres tipos principales de marcos de referencia. Estos marcos de referencia se clasifican según la velocidad del marco de referencia y la naturaleza de las variables implicadas.

Marco de referencia natural abc

El marco de referencia tiene una velocidad (ω) de cero y se denomina marco estacionario de tres fases. Las variables trifásicas exhiben una naturaleza variable en el tiempo (AC) con un desplazamiento de fase de 120 grados. Este marco representa la correlación real entre la construcción de la máquina o el convertidor de energía y el modelo matemático correspondiente.

Las variables trifásicas equilibradas genéricas se consideran como sigue:

Donde 𝐹 es la amplitud pico (V, A or Wb), 𝜔 es la frecuencia angular (rad/s), θ₀ es la fase inicial y 𝑡 es el tiempo.

La función trifásica se representa mediante un fasor en el espacio del sistema de referencia natural equivalente, como se muestra a continuación:

Donde a es el operador Fortescue:

Sistema de referencia estacionario αβ: Transformación de Clarke

La transformación de Clarke es una herramienta matemática utilizada en ingeniería eléctrica, y en particular para el control vectorial, para modelar un sistema trifásico utilizando un modelo bifásico. Fue propuesta por Edith Clarke, una de las primeras mujeres pioneras en el campo de la ingeniería eléctrica. Inventó una calculadora gráfica que facilitaba la resolución de ecuaciones eléctricas. Fue la primera mujer en presentar un artículo científico en la reunión anual del Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos (AIEE) en 1926. Además, fue la primera mujer en obtener un máster en ingeniería eléctrica por el MIT y la primera catedrática de ingeniería eléctrica de la Universidad de Texas en Austin.

La transformación de Clarke es también conocido como la transformación αβ, y son precisamente estas coordenadas complejas (α como componente real y β como componente imaginaria del sistema bifásico) sobre las que proyectamos nuestro sistema trifásico (a, b, c) de tensiones o corrientes de fase.

El fasor en el espacio del marco de referencia natural, 𝑓_𝑎𝑏𝑐(𝑡), se descompone en componentes real e imaginario para formar un fasor en el espacio del marco de referencia estacionario.

El ángulo entre las componentes α y β se calcula del siguiente modo:

La matriz de transformación de Clarke se aplica del siguiente manera:

Marco de referencia síncrono dq: Transformación de Park

La transformación de Park, también conocida como transformación del eje dq, es una herramienta matemática utilizada en la teoría de máquinas eléctricas para simplificar el análisis y el control de máquinas de corriente alterna (CA), como motores síncronos o de inducción y generadores. Robert H. Park es recordado por desarrollar las “ecuaciones de Park”, presentadas en 1929, que simplificaron enormemente el cálculo del comportamiento dinámico de generadores y motores de corriente alterna, y que han sido fundamentales en la ingeniería de sistemas de energía eléctrica. Sus trabajos permitieron un análisis práctico y eficaz de la estabilidad y fiabilidad de los sistemas eléctricos frente a perturbaciones. Además, durante la Segunda Guerra Mundial desarrolló minas magnéticas para la Marina estadounidense, por las que obtuvo múltiples patentes. A lo largo de su vida, Park fue un innovador prolífico, con 64 patentes, y su contribución sigue siendo clave en el campo de la ingeniería eléctrica. Park presentó su ponencia a la AIEE titulada “Two reactions theory of synchronous machines” en el que presentó una generalización y ampliación de los trabajos de Blondel, Dreyfus y Doherthy y Nickle. En este trabajo se establecieron métodos generales para calcular la corriente, la potencia y el par en máquinas síncronas de polos salientes y de ruptura suave, tanto en condiciones estacionarias como transitorias.

La transformación de Park convierte las variables trifásicas de corriente y tensión (que varían sinusoidalmente en el tiempo) a un sistema de coordenadas de referencia giratorio (ejes directo “d” y en cuadratura “q”), en el que estas variables se vuelven constantes o de menor frecuencia. Esto facilita el análisis de máquinas eléctricas y el diseño de controladores.

El fasor en el espacio del sistema de referencia natural, 𝑓_𝑎𝑏𝑐 (𝑡), se descompone en componentes real e imaginario para formar un fasor en el espacio del sistema de referencia síncrono.

Cuando el eje a está alineado con el eje q la ecuación es:

Cuando el eje a está alineado con el eje d la ecuación es:

Donde θ (En ambos casos, θ = ωt) es el ángulo entre los ejes a y q para la orientación del ejeqo el ángulo entre los ejes a y d para la orientación del eje d, ω es la velocidad de rotación del sistema de referencia dq, t es el tiempo, desde la orientación inicial.

Ejemplo

Se muestra una señal de tensión eficaz trifásica de 220 V y 60 Hz durante 0,45 segundos en los marcos de referencia abc, αβ0 y dq0 en tres condiciones. Entre los instantes t=0 y t=0,15, el sistema es trifásico equilibrado. Entre los instantes t=0,15 y t=0,3, la fase “a” sufre una disminución del 60% del valor eficaz de la tensión. Por último, entre los instantes t=0,30 y t=0,45, se introducen armónicos de la 5ª y 7ª secuencias positivas, con una amplitud del 20% y el 15% del valor eficaz de la tensión, respectivamente.

Aplicaciones

Las transformaciones de Clarke y Park se desarrollaron originalmente para facilitar el análisis y el modelado de máquinas eléctricas. Hoy en día, los modelos basados en dq0 se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como control y accionamiento eléctrico, modelado de máquinas múltiples y convertidores de potencia, vehículos eléctricos, simulación de microrredes, bucles de fase bloqueada (PLL) y filtros de potencia activa. Además, estas transformaciones son esenciales en el campo de las energías renovables. En numerosos casos, los componentes dq ya no se limitan a los ejes directo y de cuadratura de una máquina eléctrica, lo que sugiere una interpretación más amplia de los marcos de referencia, desvinculada de tecnologías o aplicaciones específicas.

Conclusión

Las transformaciones de Clarke y Park son herramientas matemáticas esenciales para el análisis y el control de los sistemas eléctricos trifásicos, y simplifican el estudio de las señales eléctricas. La transformación de Clarke convierte las señales trifásicas en un sistema bifásico, lo que permite identificar los componentes simétricos y desequilibrados. La Transformación de Park, sin embargo, introduce estos componentes en un marco de referencia giratorio, lo que resulta útil para una control de máquinas eléctricas y convertidores de potencia. Estas transformaciones se aplican a diversas áreas, como el control de motores, los convertidores, las microrredes y las energías renovables, permitiendo una interpretación más general de los marcos de referencia para análisis eléctricos complejos.

Referencia

[1] O’Rourke, C. J., Qasim, M. M., Overlin, M. R., & Kirtley, J. L. (2019). A geometric interpretation of reference frames and transformations: Dq0, Clarke, and park. IEEE transactions on energy conversion, 34(4), 2070–2083. https://doi.org/10.1109/tec.2019.2941175

¿Qué es una rosa de los vientos?

La rosa de viento es un diagrama polar que define la magnitud del viento, su frecuencia, potencia y energía para diferentes direcciones. Analiza el origen del viento y sus características. Normalmente, la rosa de los vientos se divide en 12 sectores, cada uno abarcando 30°, 16 sectores, cada uno abarcando 22.5° o para una mayor precisión en 24 sectores, cada uno cubriendo 15°.

Datos de magnitud y dirección del viento

Los datos de simulación se pueden descargar del siguiente repositorio: https://data.mendeley.com/preview/zrr487ry6x

Es importante tener en cuenta que las mediciones de dirección del viento se toman con el norte geográfico como referencia y en dirección horaria.

Tipos de rosas de viento

El sector de la energía eólica emplea los siguientes tipos de rosas de viento, que han sido calculadas a una altura de 50 metros:

a) Rosa de frecuencia

El diagrama polar muestra la frecuencia de las magnitudes del viento para cada rango de direcciones del viento.

b) Rosa de velocidad

El diagrama polar muestra las velocidades promedio del viento (m/s) para cada rango de dirección del viento.

c) Rosa de potencia

El diagrama polar muestra la potencia promedio por metro cuadrado (W/m²) para cada rango de dirección del viento. Los datos de potencia son directamente proporcionales al cubo de la velocidad del viento en la dirección , con que representa la densidad del aire.

d) Rosa de energía

El diagrama polar muestra la energía por metro cuadrado (kWh/m²) para cada rango de dirección del viento. La energía para cada dirección está dada por la potencia de la turbina eólica j en la dirección y el tiempo para cada marca de tiempo de una hora.

¿Qué tipo de rosa de los vientos se utiliza en el diseño de un parque eólico?

Todos los tipos de rosas de los vientos nos proporcionan información específica, pero el tipo más importante para optimizar el diseño de un parque eólico es el llamado "rosa de energía.” Esto nos proporciona las direcciones que concentran la mayor cantidad de energía anual, es decir, las direcciones desde las cuales el viento sopla durante la mayor cantidad de horas al año y con la mayor potencia.

Referencia

[1] Cucó Pardillos, S. (2017). Manual de energía eólica. Desarrollo de proyectos e instalaciones. Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/77752.

[2] R. Byrne, N.J. Hewitt, P. Griffiths, P. MacArtain, “Observed site obstacle impacts on the energy performance of a large scale urban wind turbine using an electrical energy rose”, Energy for Sustainable Development: The Journal of the International Energy Initiative, Volume 43, 2018, Pages 23-37, ISSN 0973-0826. https://doi.org/10.1016/j.esd.2017.12.002.

The parts that make up a wind turbine are as follows:

1. Blades

The blades of a wind turbine are the components that directly interact with the wind, which is why they are designed with a profile that maximizes their aerodynamic efficiency. Most blades are manufactured using polyester or epoxy reinforced with fiberglass. This material consists of a matrix of synthetic resin and fiberglass fibers, providing the blades with lightness, durability, and resistance to corrosion and moisture. Carbon fiber can also be used as a reinforcement material to enhance the strength and rigidity of the blades. However, carbon fiber comes at a higher cost and poses challenges in terms of recycling.

Transporting the blades can be a major challenge. Larger wind turbines require longer blades, which can complicate their transport to the wind farm.

2. Hub

The hub of a wind turbine is the component responsible for connecting the blades to the shaft that transmits motion to the gearbox in the case of a Doubly Fed Induction Generator (DFIG) or to the generator shaft in the case of a Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). The hub contains mechanisms for changing the pitch angle of the blades. The hub is typically made of steel or cast iron and is aerodynamically designed to prevent the formation of turbulence and allow for maximum free airflow.

3. Blade orientation system

It consists of a series of mechanical, electrical, or hydraulic mechanisms that allow for adjusting the pitch angle of the blades. Their purpose is to maintain constant mechanical power when the wind speed exceeds the nominal value (as can be seen in the wind turbine’s power curve). This system can also be considered a protective measure to prevent the wind turbine from exceeding its nominal speed.

The blades move relative to their axis to control the mechanical power. This type of control is called “pitch angle control”.

4. Wind turbine orientation system

The nacelle rotates along the vertical axis of the tower using an active and rotating orientation control system, which consists of electric actuators. The wind direction and speed are continuously monitored by sensors located on the nacelle’s cover, called anemometers and wind vanes. The aim is to align the wind turbines in the direction of the prevailing wind to maximize wind energy capture.

5. Gearbox

The function of the gearbox is to connect the shaft that joins the blades at the hub with the generator shaft. Its purpose is to multiply the turbine’s rotational speed to an efficient speed for the electrical generator. Without a gearbox, the electrical generator would need to rotate optimally between 10 and 25 rpm, meaning a generator with many poles would be required.

Therefore, the gearbox can be thought of as a mechanical transformer. It can multiply the wind turbine’s rotation speed, for example, 1:50, 1:70, 1:80, 1:90, 1:100, 1:110. The higher the multiplication factor, the more complex the gear system and gearbox stages will be. The gearbox provides a higher rotation speed for the electrical generator but lower mechanical torque.

6. Electric generator

6.1. Squirrel Cage Induction Generator (SCIG):

This configuration corresponds to the so-called “Danish concept”, which was very popular in the 1980s. This type of electric generator consumes reactive power, which it can absorb from the grid or a bank of capacitor batteries. To connect it to the grid, a soft-start system is used, based on thyristors, in order to limit the starting current. This generator can cause power oscillations that are directly transferred to the grid. Its main advantages are its smaller size, lower cost, and the simplicity of the control system.

6.2. Doubly Fed Induction Generator (DFIG):

It has been used since the year 2000. An electronic power converter is connected in a back-to-back configuration. Through the use of the electronic power converter, the frequency and current in the rotor can be flexibly controlled, thus extending the range of variable speeds to a satisfactory level. Control is achieved by injecting variable current into the rotor winding, both in magnitude and frequency. The speed variation range is about ± 30% of the rated speed. The stator is directly connected to the grid, while the rotor is connected through power converters with a fraction of power between 20% or 30% of the rated power. Disadvantages include having slip rings, requiring a multi-stage gearbox to connect to the wind turbine, incurring higher maintenance costs, and experiencing increased losses mainly due to the mechanical transmission train.

6.3. Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG):

This type of generator is the most commonly used alongside the DFIG generator. Unlike the DFIG, it integrates full-scale power electronic converters to connect to the electrical grid. This generator type has a greater capacity to support the electrical grid and requires less maintenance. It utilizes rare earth magnets in the rotor, which have a high magnetic flux density. Its primary disadvantage is the cost of the magnet, as it is subject to global uncertainty and can potentially demagnetize due to electrical faults in the generator.

7. Power electronics interface

The power electronics interface plays a crucial role in wind turbines. It is responsible for the transformation, control, and optimization of energy. Power converters are used to control the flow of active and reactive power in both steady and dynamic states, from the electric generator to the power grid. The rotational speed of variable-speed wind turbines is decoupled from the electrical frequency due to the electronic interface; in other words, they do not rotate in sync with the power grid, as a conventional synchronous generator would. The Back-to-back connection is the most commonly used and consists of two voltage-source converters (VSC).

These converters are composed of semiconductor devices such as the Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), which functions as a controlled switch. IGBTs are controlled using pulse-width modulation techniques. The power converters, along with their control system, act as the “brain” of the wind turbine. It is vital that their operation is appropriate and optimal to ensure the proper functioning of the entire wind energy conversion system.

8. Transformer (LV-MV)

The electrical output power of the wind turbine is generally low voltage and is converted to medium voltage through a transformer to reduce transmission losses by connecting to the medium voltage grid. The transformer is installed either in the nacelle or at the base of the tower. It is a dry-type transformer with two windings.

Conclusión

In conclusion, wind turbines are complex systems as they encompass electrical, electronic, mechanical, aerodynamic, and structural subsystems. Wind turbines are the pillars of renewable energy generation due to their increased capacity in recent years. Each component, from the blades to the electrical generators, plays a vital role in capturing and transforming wind energy into electricity. The blades are aerodynamically designed and constructed with advanced materials to maximize efficiency and durability. The orientation systems ensure optimal operation by continuously adjusting the blades and nacelle based on wind conditions. The gearbox and various types of electrical generators, such as SCIG, DFIG, and PMSG, enable effective conversion of mechanical energy to electrical energy, each with its specific advantages.

The power electronics interface is the “brain” of the wind turbine, managing the power flow and decoupling the rotational speed of the wind turbine from the electrical grid frequency. This control and optimization capability is crucial for the overall system performance. Finally, the transformer raises the generated low voltage to a medium voltage level, minimizing transmission losses and ensuring efficient integration with the electrical grid.

Overall, the engineering behind each part of the wind turbine is fundamental to its efficiency and reliability, making these machines a key element in the transition to cleaner and more sustainable energy sources.

¿Qué es el efecto estela en la energía eólica?

El efecto estela en la energía eólica se produce cuando el flujo de viento se ve afectado por la presencia de un aerogenerador, lo cual impacta a los aerogeneradores cercanos. Al encontrarse con un aerogenerador, el viento crea una zona de baja presión detrás de él, lo que resulta en un viento más lento y menos energético para los aerogeneradores subsiguientes. Esta situación reduce la eficiencia y el rendimiento de los aerogeneradores ubicados aguas abajo, conocido como el efecto estela.

La optimización de la disposición de los aerogeneradores es crucial para aprovechar al máximo la superficie disponible en un parque eólico. Por un lado, es necesario mantener una separación adecuada entre los aerogeneradores para evitar la influencia de las sombras eólicas y las turbulencias generadas, lo cual reduce la producción del parque. Por otro lado, se busca que estén lo suficientemente cercanos para optimizar la superficie disponible y minimizar los costes de la red de media tensión interna del parque, así como las pérdidas de energía en dicha red.

El diseño de parques eólicos representa un desafío debido al fenómeno de las múltiples estelas. El cálculo del efecto estela es un problema significativo en los parques eólicos y requiere un modelado preciso para reducir las pérdidas de potencia causadas por el efecto estela tanto en distancias cercanas como lejanas.

En este video, descubriremos cómo Siemens Gamesa Renewable Energy está maximizando la producción de energía eólica mediante la optimización de estela. Exploraremos cómo su enfoque innovador en la colocación estratégica de aerogeneradores y el uso de tecnología de punta está permitiendo generar más energía de manera eficiente y rentable. Gracias a la utilización de NVIDIA Modulus and Omniverse, los diseñadores de empresas especializadas en parques eólicos tienen la capacidad de combinar métodos tradicionales con modelos de inteligencia artificial de súper resolución basados en principios físicos. Esto les permite generar datos de simulación de alta resolución de manera significativamente más rápida, lo que resulta en la creación de modelos de estela de ingeniería más precisos y detallados.

Impacto del efecto estela en el rendimiento de los parques eólicos

El impacto del efecto estela en un parque eólico es significativo y puede tener varias consecuencias en la eficiencia y el rendimiento global del sistema. A continuación, se describen algunos de los principales impactos:

a) Disminución de la producción de energía:

El efecto estela provoca una disminución en la velocidad y la energía del viento que llega a los aerogeneradores ubicados aguas abajo producido por los aerogeneradores aguas arriba. Esto reduce la producción de energía de los aerogeneradores aguas abajo, ya que reciben un flujo de viento menos potente. Además, el efecto puede ser acumulativo y perjudicial para los aerogeneradores que están a la última fila de la distribución en el parque eólico.

b) Pérdida de eficiencia:

Debido a la disminución en la velocidad del viento, los aerogeneradores afectados por el efecto estela operan a velocidades menores a las óptimas. Esto resulta en una reducción de la eficiencia de conversión de energía, ya que no aprovechan plenamente el potencial del viento disponible. La eficiencia (ɳ) puede definirse como:

Donde is the measured power output of turbine , is la power output for free stream conditions, and is the number of turbines.

c) Desgaste desigual de los aerogeneradores:

El efecto estela también puede provocar un desgaste desigual en los aerogeneradores del parque. Los aerogeneradores ubicados aguas abajo experimentan cargas de viento fluctuantes y turbulencias, es decir, la velocidad del viento no se distribuye de manera uniforme en toda el área de barrido de las palas, lo que puede generar un mayor desgaste mecánico y acortar la vida útil de las turbinas eólicas.

d) Limitaciones en la disposición de los aerogeneradores:

El efecto estela impone restricciones en la disposición óptima de los aerogeneradores en un parque eólico. Es necesario encontrar un equilibrio entre maximizar la producción de energía y minimizar el impacto del efecto estela. Esto implica considerar la distancia y la configuración de los aerogeneradores para evitar interferencias entre las estelas generadas. También, depende mucho de la geografía del lugar de instalación, ya que un punto de ubicación en el terreno puede ser óptimo, pero no es un lugar adecuado para la instalación de la torre.

Criterio en la distribución de los aerogeneradores

Los aerogeneradores se disponen en una o varias filas alineadas perpendicularmente a la componente más energética del viento (la de mayor magnitud), como se indica en la representación gráfica de la rosa de los vientos de energía. Al establecer la separación entre los aerogeneradores, generalmente se siguen las siguientes recomendaciones:

• Para la separación entre aerogeneradores dentro de la misma fila, se establece una distancia que oscila entre 2 y 3 veces el diámetro del rotor D.

• Para la separación entre filas, se aplica una distancia de 6 a 8 veces el diámetro del rotor D.

La separación entre los aerogeneradores se determina en función de la sombra eólica" que se pueda generar entre ellos, la cual depende de la dirección predominante del viento.

En la Figura 3 se muestra la distribución de 48 aerogeneradores en un parque eólico de 120 MW con una orientación de la fila de 25 grados respecto a la dirección de referencia.

Conclusión

El efecto estela en la energía eólica es un factor crucial que influye en el rendimiento de los parques eólicos. Su impacto se traduce en una disminución en la producción de energía, pérdida de eficiencia y desgaste desigual de los aerogeneradores. Para maximizar la producción y minimizar los efectos negativos, es necesario optimizar la disposición estratégica de los aerogeneradores. En este sentido, la combinación de métodos tradicionales con modelos de inteligencia artificial de alta resolución, como los ofrecidos por NVIDIA Modulus y Omniverse, permite generar datos de simulación más rápidos y precisos, mejorando la capacidad de mitigar el efecto estela y maximizar la eficiencia en la generación de energía eólica. La correcta distribución de los aerogeneradores, considerando la separación y la configuración adecuada, es esencial para optimizar el rendimiento de un parque eólico y minimizar las interferencias entre las estelas generadas.

Example statement

Tenemos disponible los datos de la magnitud promedio de las velocidades del viento, medidos cada hora a una altura de 120 metros, durante todo un año. Esto nos proporciona un total de 8,760 puntos de datos de velocidades del viento.

Datos de viento utilizados en la aplicación: Descargar

La Figura 1 muestra las magnitudes de las velocidades del viento a lo largo de un año, basándose en los datos obtenidos del enlace anterior. Analizar las velocidades del viento de esta manera es complejo y no es adecuado para el análisis.

Figura 1: Magnitud de la velocidad del viento durante un año, registrada cada hora.

Por otro lado, representar las velocidades del viento en forma de histograma con intervalos de velocidad del viento de 1 m/s es mucho más sencillo y fácil de entender.

A continuación, obtenemos los parámetros k y c de la distribución de Weibull utilizando diferentes métodos numéricos.

a) Mediante el método de estimación de mínimos cuadrados

Los 8760 puntos de datos se dividen en rangos de velocidad del viento iguales para calcular la distribución de la velocidad del viento y la distribución de frecuencias relativas. La Tabla 1 muestra los rangos establecidos y los cálculos realizados para determinar los parámetros "k" y "c" de la distribución de Weibull.

Luego, utilizando las ecuaciones para calcular "a", "b" y "c", se obtienen los siguientes valores:

a = k = 3.334 ; b = -6.808 ; c = 7.707

La Figura 3 muestra el gráfico del ajuste lineal por mínimos cuadrados.

Por lo tanto, la distribución de Weibull:

b) Mediante el método del factor de patrón de energía

El valor del Factor de Patrón de Energía se calcula utilizando los datos de velocidad del viento del enlace anterior.

Se calcula el valor del parámetro de forma:

Se calcula el valor del parámetro de escala:

Por lo tanto, la distribución de Weibull:

c) Por el método empírico

Se calcula el valor del parámetro de forma:

Se calcula el valor del parámetro de escala:

Por lo tanto, la distribución de Weibull:

d) Por el método de máxima verosimilitud

Para el método de máxima verosimilitud, utilizamos la función de MATLAB wblfit(v), que se utiliza para ajustar una distribución de Weibull a un conjunto de datos y devuelve una matriz que contiene los valores estimados de los parámetros de Weibull. En otra publicación, se explicará el algoritmo con más detalle paso a paso. A continuación, se muestra el código para calcular los parámetros:

Wind=xlsread('source of wind speed information');

% We calculate the parameters of the Weibull distribution
[parametros, intervalo] = wblfit(Wind);

% We display the results
disp(['The parameters of the Weibull distribution are:']);
disp(['c = ', num2str(parameters(1))]);
disp(['k = ', num2str(parameters(2))]);
disp(['The confidence interval for the parameters is:']);
disp(['[', num2str(interval(1)), ', ', num2str(interval(2)), ']']);

Por lo tanto, los parámetros de Weibull obtenidos son:

c = 8.1721 ; k = 4.9566

Por lo tanto, la distribución de Weibull:

Comparación de métodos

La siguiente tabla muestra un resumen de los valores obtenidos para los parámetros c y k utilizando los diferentes métodos mencionados anteriormente:

En la Figura 4 se muestra la comparación de la curva de probabilidad de Weibull con los diferentes parámetros k y c obtenidos utilizando los diversos métodos numéricos.

Conclusión

Existen varios métodos para calcular los parámetros de la distribución de Weibull en el análisis de la velocidad del viento, como el ajuste por mínimos cuadrados, el factor de patrón de energía, los métodos empíricos y la estimación de máxima verosimilitud. En general, el método de máxima verosimilitud tiende a ser el más preciso. Cada método tiene sus ventajas y limitaciones, y la elección depende de las condiciones y los datos disponibles.

Tipos de Energía Renovable

La producción de energía eléctrica a través de fuentes renovables se refiere a la obtención de energía mediante proyectos que aprovechan la energía generada por diferentes fuentes renovables, tales como la energía hidroeléctrica, la energía geotérmica, la energía eólica, la energía solar, la bioenergía y la energía de los océanos, que incluye la energía de las mareas, olas y corrientes marinas. A continuación, se explica detalladamente cómo se obtiene y utiliza cada una de estas fuentes de energía renovable para la generación de energía eléctrica.

Energía hidroeléctrica

Esta forma de energía se deriva de la energía que se encuentra en movimiento y la energía almacenada en la altura de los ríos y cascadas. Hay dos tipos principales de tecnología hidroeléctrica que se utilizan para generar electricidad: centrales de pasada y centrales de embalse. Las centrales de embalse implican la construcción de un embalse para almacenar agua, mientras que, en las centrales de pasada, generalmente se utiliza el curso natural del río. La principal diferencia entre ambos tipos de centrales hidroeléctricas es que las centrales de embalse son despachables, lo que significa que su generación eléctrica puede ser programada, mientras que las de pasada no lo son. En ambos tipos de centrales, el agua se dirige hacia las turbinas, lo que produce un movimiento rotatorio que a su vez genera electricidad. En el caso de las centrales de pasada, se utiliza la energía cinética del agua del río, mientras que en las centrales de embalse se aprovecha la energía potencial del agua almacenada en el embalse. Para medir la potencia de estas centrales, es necesario medir el caudal de agua y la altura de caída del agua. La medición del caudal de agua permite determinar la energía cinética, mientras que la medida de la altura de caída del agua se utiliza para determinar la energía potencial. Para determinar el potencial hidroeléctrico, es necesario realizar levantamientos de información en el terreno para detectar los recursos hídricos disponibles.

Se considera solo a las centrales de pasada como una fuente de energía renovable, ya que no necesita de un embalse que ocasiona un impacto ambiental.

Energia Geotérmica

La energía geotérmica se obtiene a partir del calor que se encuentra en el interior de la corteza terrestre. Para aprovechar esta energía, se requiere de un fluido, como el agua, para capturar el calor térmico del interior de la corteza terrestre. Normalmente, este fluido se encuentra en la tierra formando acumulaciones llamadas reservorios, que se manifiestan en el exterior de la corteza terrestre en forma de geiseres, aguas termales, etc. Hasta principios de 2021, las tecnologías disponibles permiten aprovechar el calor de estos reservorios como energía térmica y eléctrica, lo que depende de la temperatura del reservorio. Cuanto más alta sea la temperatura del fluido, mayor será su aplicación en centrales de generación eléctrica. Para determinar la potencia máxima de estas centrales, es necesario medir la temperatura que se podría alcanzar en el fluido y también identificar el tamaño de los reservorios.

Existen tres tipos de centrales geotérmicas que se pueden identificar: en primer lugar, se encuentran las plantas de vapor flash, que extraen agua caliente a alta presión desde la profundidad de la tierra y la convierten en vapor para impulsar las turbinas del generador. Luego, cuando el vapor se enfría, se condensa el agua y se devuelve al pozo para volver a ser utilizada. En segundo lugar, están las plantas de vapor seco, las cuales utilizan vapor seco para encender turbinas y generar electricidad mediante el generador. Finalmente, se encuentran las plantas de ciclo binario, que transfieren el calor de agua caliente a otro líquido, que se evapora para activar un generador eléctrico.

Para identificar las zonas con potencial geotérmico, es necesario llevar a cabo trabajos de exploración, que se dividen en tres fases: geología, geofísica y geoquímica. Cada una de estas fases es importante para detectar la presencia del recurso geotérmico y, de esta manera, reducir el riesgo de descubrir reservorios que no sean técnicamente factibles de explotar. Si se determina que hay potencial geotérmico después de la fase de exploración, se puede proceder a la fase de explotación, teniendo en cuenta que aún existe el riesgo de que el reservorio no sea económicamente viable.

Energía eólica

Esta forma de energía se basa en la captación de la energía cinética del viento. Se utiliza una tecnología que consta de un generador eléctrico instalado en una torre, que aprovecha la energía cinética del viento para generar electricidad. La elección del tamaño óptimo de las palas del aerogenerador y la altura adecuada de la torre dependen de la curva de perfil del viento (que muestra la velocidad del viento en relación con la altura) y la geografía del terreno. Actualmente, la tecnología permite generar electricidad tanto en tierra (on-shore) como en el mar (off-shore). Para medir la potencia máxima de estas centrales eólicas, se requiere la medición de la velocidad y dirección del viento, para lo cual se utiliza un anemómetro colocado a la altura deseada.

El potencial eólico se calcula en función de la distribución de la velocidad del viento. Los aerogeneradores situados en sitios donde las medias de velocidad del viento son de 8 metros por segundo en la altura del eje del rotor producen entre el 75% y el 100% más de electricidad que aquellas donde el viento sopla a una media de 6 metros por segundo. Un aerogenerador de 1,8 MW situado a un buen emplazamiento produce más de 4,7 GWh cada año. Esto es suficiente para satisfacer las necesidades de energía eléctrica anual de más de 1.500 hogares.

Existen tres criterios para la clasificación de las centrales eólicas: la orientación de las turbinas (horizontal o vertical), las características de la instalación (en tierra o en el mar) y la conectividad a la red (conectada o no conectada). Los aerogeneradores con turbinas de eje horizontal son los más populares y tienen un eje de rotación paralelo al suelo. Generalmente, estas turbinas tienen tres aspas y pueden alcanzar alturas similares a un edificio de 20 pisos. Por otro lado, los aerogeneradores con turbinas de eje vertical son menos utilizados y tienen un eje de rotación perpendicular al suelo. Dependiendo de la forma de la turbina, pueden ser clasificados como "Darrieus" (2 o 3 arcos), "Panemonas" (4 o más semicírculos) o "Sabonius" (2 o más filas de semicilindros).

Energia solar

La energía solar se obtiene a partir de la radiación electromagnética del sol. Hay varias formas de aprovechar esta energía, como la solar fotovoltaica, que genera electricidad, la solar termoeléctrica de concentración, que también genera electricidad, y la solar térmica para agua caliente sanitaria, que genera calor. En la tecnología solar fotovoltaica, las celdas funcionan como un semiconductor que produce una reacción físico-química que libera energía eléctrica en forma de corriente continua. Los paneles fotovoltaicos, que contienen estas celdas con material semiconductor, son característicos de esta tecnología. Hay diferentes tecnologías de paneles fotovoltaicos en el mercado, siendo la que utiliza celdas de silicio policristalino la más común debido a su eficiencia.

La tecnología de concentración solar termoeléctrica funciona al aprovechar la reflexión de los rayos solares en espejos para concentrarlos en un fluido, que se calienta al absorber la energía térmica generada por los rayos solares. Luego, esta energía térmica se transfiere a otro fluido, generalmente agua, que se convierte en vapor debido al aumento de temperatura y mueve una turbina para generar electricidad. Estos sistemas operan a temperaturas elevadas, que oscilan entre 400°C y 600°C. Las tecnologías de concentración solar termoeléctrica más comunes son la torre concentradora, el colector o plato parabólico y el reflector Fresnel lineal.

Por último, la tecnología solar térmica para agua caliente sanitaria se compone de un sistema que incluye un depósito y un panel solar que contiene un circuito por el cual fluye agua, la cual absorbe la energía térmica proporcionada por la radiación solar, energía que es aprovechada en las viviendas. Estos sistemas están diseñados para trabajar a baja temperatura (hasta 180 °C) y se utilizan para aplicaciones como calentar agua, calefacción y piscinas.

La eficiencia de generación de energía en cada una de estas tecnologías depende de las condiciones climáticas, como la nubosidad, y la inclinación de los rayos solares en relación a la tierra. Para medir la potencia máxima de estos sistemas, se requiere medir la radiación solar, para lo cual se utiliza un instrumento conocido como piranómetro o solarímetro.

Energía de biomasa (bioenergía)

La bioenergía proviene de la biomasa, que incluye materia orgánica sostenible como cultivos energéticos, desechos agrícolas y forestales, desechos animales, residuos urbanos y de tratamiento de aguas. La biomasa tiene múltiples usos, como combustible para la cogeneración, la producción de biocombustibles líquidos y la generación de biogás. El potencial de la biomasa como combustible y biocombustible puede medirse mediante tecnologías satelitales y análisis de tierras cultivables. El biogás se produce a través de la descomposición biológica de la materia orgánica, y se puede recuperar de rellenos sanitarios y plantas de tratamiento de aguas servidas. La medición del potencial del biogás requiere información sobre la cantidad y el tipo de residuos en los sitios de producción.

Energía oceánica

Existen diversas formas de obtener energía a partir de los océanos, tales como la energía mareomotriz que se obtiene de las mareas, la energía undimotriz obtenida de las olas, la energía generada por las corrientes marinas y la energía obtenida del gradiente térmico. Para cada tipo de energía mencionada, existen diferentes tecnologías disponibles. A pesar de que existen tecnologías en desarrollo para aprovechar estas formas de energía, aún se encuentran en fase experimental debido a sus altos costos de desarrollo y la complejidad del medio marino. Sin embargo, si se logra desarrollar tecnologías rentables para su explotación, la energía de los océanos podría convertirse en una fuente importante de energía renovable, contribuyendo a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la mitigación del cambio climático.

El estado de las energías renovables en el mundo

Cada año, se genera más electricidad a partir de energías renovables en comparación al año anterior. La capacidad instalada de energía renovable fue suficiente para proporcionar aproximadamente el 28.3 % de la generación mundial a fines del 2021. Sin embargo, los proyectos siguieron viéndose afectados por los problemas en la cadena de suministro, retrasos en los envíos, y la subida mundial de los precios de las materias primas. A continuación, se muestra la capacidad mundial estimada de energías renovables por tipo a finales de 2021 (fuente: Renewables 2021 Global Status Report de la Agencia Internacional de Energía Renovable):

La capacidad hidroeléctrica sólo incluye las centrales de pasada y excluye las centrales de embalse, que no se consideran energía renovable. La siguiente figura muestra el gráfico de los datos de la tabla anterior.

A partir del cuadro anterior, se puede concluir que la energía hidroeléctrica sigue siendo la fuente de energía renovable más grande en términos de capacidad instalada, representando casi la mitad de la capacidad total de energía renovable a nivel mundial a finales de 2021. Sin embargo, la energía eólica y la energía solar fotovoltaica también han experimentado un crecimiento significativo en los últimos años, y juntas representan más del 50% de la capacidad total de energía renovable en todo el mundo. La energía bioenergética, la energía geotérmica y la energía marina aún tienen una presencia mucho menor en el mix de energía renovable, pero se espera que experimenten un crecimiento significativo en los próximos años a medida que las tecnologías continúen mejorando y los costos sigan disminuyendo. En general, el crecimiento constante de la capacidad de energía renovable a nivel mundial indica una tendencia positiva hacia una transición hacia fuentes de energía más sostenibles y una mayor mitigación del cambio climático.

Conclusión

En general, las energías renovables son una alternativa cada vez más importante a las fuentes de energía tradicionales que utilizan combustibles fósiles y que contribuyen significativamente al cambio climático y a la contaminación ambiental. Las energías renovables, como la energía solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica y marina, utilizan fuentes de energía inagotables y limpias que no emiten gases de efecto invernadero ni otros contaminantes tóxicos.

El desarrollo y la expansión de las energías renovables han sido impulsados por el aumento de la conciencia y la preocupación por el cambio climático y la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para limitar su impacto en el medio ambiente. Además, la disminución de los costos de tecnologías como paneles solares, turbinas eólicas y baterías ha hecho que las energías renovables sean cada vez más competitivas en términos de costo con las fuentes de energía convencionales.

Referencia

[1] Environment, U. N. (2022, junio 16). Renewables 2022 Global Status Report. UNEP – UN Environment Programme. https://www.unep.org/resources/report/renewables-2022-global-status-report

[2] Carta González, José Antonio. Centrales de energías renovables : generación eléctrica con energías renovables, Madrid ES Pearson Educación 2013.

Ventajas de la energía eólica

Fuente de energía renovable

La energía eólica es una fuente de energía renovable y sostenible que no emite gases de efecto invernadero. No depende de combustibles fósiles y, por lo tanto, es una forma de energía limpia que no produce emisiones de gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático. Además, la energía eólica es una fuente de energía inagotable, ya que el viento siempre está presente en la atmósfera.

Reducción de la dependencia de los combustibles fósiles

La energía eólica reduce la dependencia de los combustibles fósiles, lo que reduce la vulnerabilidad de un país a las fluctuaciones de precios y la volatilidad del mercado energético global. En muchos países, la energía eólica se está convirtiendo en una parte cada vez más importante de su matriz energética y está ayudando a reducir la dependencia de los combustibles fósiles. Esto no solo ayuda a mitigar los efectos del cambio climático, sino que también puede proporcionar seguridad energética y reducir la volatilidad de los precios de la energía.

Bajo costo de operación

El costo de operación se refiere a los gastos necesarios para mantener en funcionamiento y en buen estado de funcionamiento a los aerogeneradores. El costo de operación incluye gastos como la reparación y mantenimiento de los aerogeneradores, la administración y supervisión del parque eólico, la seguridad del personal y la limpieza del sitio de operación. Una vez que se han instalados, el costo de mantenerlos y operarlos es bajo en comparación con los costos de operación de las centrales eléctricas a base de combustibles fósiles.

Generación de empleo

La energía eólica crea empleos en todas las etapas de su cadena de suministro, desde la fabricación y la instalación hasta el mantenimiento y la operación. Además, la energía eólica puede ser una fuente importante de empleo para las comunidades locales. La fabricación de aerogeneradores y otros componentes de la energía eólica requiere habilidades especializadas y mano de obra calificada, lo que crea empleos en la industria manufacturera. La construcción de parques eólicos también crea empleos en áreas como la ingeniería civil, la electricidad, la construcción de torres y cimientos. Una vez que los parques eólicos están en funcionamiento, se necesitan técnicos de mantenimiento y operación para mantener los aerogeneradores y garantizar su correcto funcionamiento. Estos trabajadores pueden ser contratados por la empresa de energía eólica o por contratistas independientes.

Menor huella de carbono

Wind energy has a smaller carbon footprint than fossil fuel-based power generation. The manufacturing of wind turbines and the construction of wind farms have a carbon footprint, but this is quickly offset by the energy generated.
Wind energy has a lower carbon footprint because it does not emit greenhouse gases such as carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O) during operation. Because wind turbines generate electricity from the kinetic energy of the wind, they do not require the burning of fossil fuels.

In addition, wind power has a smaller carbon footprint than other renewable energy sources, such as hydroelectricity and solar photovoltaics. Wind turbines do not require large dams, reservoirs, or solar panels, which require large amounts of materials and energy to manufacture.

Desventajas de la energía eólica

Impacto en la vida silvestre

La construcción de parques eólicos puede tener un impacto negativo en la vida silvestre, especialmente en las aves. Los aerogeneradores pueden interferir con los patrones migratorios y de alimentación de las aves, lo que puede tener consecuencias graves en sus poblaciones. La construcción de aerogeneradores y líneas de transmisión puede requerir la eliminación de la vegetación y la alteración del paisaje, lo que puede tener un impacto en la fauna local y sus hábitats. Además, la construcción de infraestructura puede afectar la migración de algunas especies animales. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el impacto en la vida silvestre de la energía eólica es extremadamente bajo, en comparación con otras fuentes de energía, como los combustibles fósiles, y otras actividades humanas.

Ruido y vibraciones

Los aerogeneradores pueden generar ruido y vibraciones debido al movimiento de las palas, el funcionamiento del generador y otros componentes. El ruido se produce cuando el aire fluye sobre las palas y se desplaza hacia la torre, la cual puede crear una turbulencia que genera un sonido audible. Además, el movimiento mecánico de los componentes internos del generador y otros equipos eléctricos también pueden generar ruido y vibraciones. El nivel de ruido y vibraciones dependerá del tipo y tamaño de los aerogeneradores, así como de las condiciones ambientales. En general, los aerogeneradores más grandes tienden a ser más ruidosos y pueden generar más vibraciones debido a la mayor cantidad de energía que producen. Sin embargo, el impacto sobre el ruido del ambiente de los parques eólicos es extremadamente bajo. Por ejemplo, un parque eólico ubicado a 350 metros de una persona tiene un nivel de ruido entre 35 a 45 decibeles aproximadamente. Esto es mucho menor al nivel de ruido producido por un avión de 105 decibeles a 250 metros.

Intermitencia de la potencia eólica

Los parques eólicos necesitan vientos constantes y fuertes para generar energía eléctrica de manera efectiva. Aunque los vientos pueden ser afectados por una serie de factores como la topografía, la ubicación geográfica y la altitud, las condiciones climáticas más importantes para los parques eólicos son la velocidad y la dirección del viento.
El viento es un recurso renovable, pero no es constante y puede variar significativamente en diferentes momentos y lugares. Los parques eólicos están diseñados para funcionar en ciertos rangos de velocidad y dirección del viento, y los ingenieros encargados de su diseño y construcción consideran estas variables cuidadosamente antes de instalar los aerogeneradores.
La intermitencia de potencia eólica puede ser un desafío para la integración de la energía eólica en la red eléctrica, ya que puede crear desequilibrios en la oferta y la demanda de energía eléctrica. Los sistemas de energía eléctrica deben ajustar su producción para mantener la estabilidad de la red y asegurarse de que la demanda de energía eléctrica se cumpla en todo momento.

Para mitigar la intermitencia de la potencia eólica, se han desarrollado tecnologías de control y de almacenamiento de energía. Por ejemplo, los sistemas de almacenamiento de baterías pueden ayudar a almacenar la energía generada por los parques eólicos en momentos de alta producción y suministrar energía a la red en momentos de baja producción. Los sistemas de control de energía también pueden ser utilizados para gestionar y regular la producción de los parques eólicos en función de la demanda de la red eléctrica.

Necesidad de espacio

Los parques eólicos requieren un espacio significativo para su instalación debido a que los aerogeneradores son relativamente grandes y necesitan ser ubicadas a una distancia adecuada entre ellos para garantizar su eficiencia y seguridad. Además, los parques eólicos deben ubicarse en áreas con vientos fuertes y constantes durante un mayor intervalo de tiempo. Esto significa que la selección de la ubicación del parque eólico puede ser limitada a áreas específicas con condiciones adecuadas de viento. Estas áreas pueden estar ubicadas en tierras públicas o privadas, y a menudo requieren la adquisición de derechos de uso o de propiedad.
Los parques eólicos también deben tener en cuenta otros factores como la topografía del terreno, la distancia a las redes eléctricas y la presencia de infraestructuras como carreteras y puentes para permitir el acceso a los sitios de instalación y mantenimiento de los aerogeneradores.

Impacto visual

El impacto visual de los aerogeneradores dependerá de varios factores, como la ubicación del parque eólico, el tamaño, la altura, y la cantidad de los aerogeneradores que se han instalado. Si los aerogeneradores están ubicados en áreas abiertas o en terrenos altos, pueden ser más visibles y tener un mayor impacto visual en el paisaje. Para mitigar el impacto visual de los aerogeneradores, los diseñadores de parques eólicos a menudo buscan ubicaciones que minimicen el impacto visual en el paisaje y trabajan en estrecha colaboración con los gobiernos locales, las comunidades y las partes interesadas para identificar áreas adecuadas y minimizar el impacto en el medio ambiente y en la comunidad.

Costo inicial alto

El costo inicial de construir y poner en marcha un parque eólico es significativamente más alto en comparación con la construcción de centrales eléctricas de combustibles fósiles. De manera general, el costo inicial de construcción de un parque eólico puede oscilar entre unos pocos millones y varios cientos de millones de dólares. Este costo inicial puede incluir la adquisición de tierras, la construcción de la infraestructura de acceso, la instalación de las turbinas eólicas, la construcción de subestaciones eléctricas y la conexión a la red eléctrica existente.
Sin embargo, los costos de operación son menores una vez que el parque eólico está en funcionamiento.

Problema de la transmisión verde

La energía eólica se genera típicamente en áreas rurales o remotas donde no hay suficientes infraestructuras de transmisión de energía. Dado que uno de los aspectos que caracterizan el desarrollo de las energías renovables (entre ellas la energía eólica) es que se encuentra asociado a la ubicación donde se localiza el recurso. Por tal motivo, es necesario desarrollar el sistema de transmisión para llegar desde donde se encuentran estos recursos (viento) hasta los centros de consumo. El problema de requerir la construcción de líneas de transmisión eléctrica para transportar energía renovable que se encuentra distante de los centros de consumo normalmente se conoce como el problema de la transmisión verde.

Conclusión

La energía eólica es una fuente de energía renovable que tiene varias ventajas y desventajas. Es una fuente limpia y sostenible de energía que reduce la dependencia de los combustibles fósiles, tiene costos operativos bajos y crea empleos en las comunidades locales. Sin embargo, la energía eólica tiene un impacto en la vida silvestre y puede ser un problema para la estética visual del paisaje, aunque su impacto es muy reducido. Además, depende de las condiciones climáticas, lo que puede afectar la disponibilidad de energía. A pesar de estos desafíos, sigue siendo una alternativa importante a los combustibles fósiles y una solución viable para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y abordar el cambio climático. Debido a las características que tiene los aerogeneradores, se prevé que sea este tipo de energía renovable la que lidere el cambio hacia un sistema de potencia moderno, sostenible y de bajo consumo de combustibles fósiles.

Referencia

[1] Ackermann, T. (Ed.). (2012b). Wind Power in Power Systems: Ackermann/Wind Power in Power Systems. Wiley-Blackwell.

[2] Villarrubia López M. (2012). Ingeniería de la Energía Eólica. Facultad de Física, Universidad de Barcelona. Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V.

[3] Amaro Pinazo, M., & Romeral Martinez, J. L. (2022). Intermittent power control in wind turbines integrated into a hybrid energy storage system based on a new state-of-charge management algorithm. Journal of Energy Storage, 54(105223), 105223. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105223

De la educación a la invención: Los primeros años de Poul La Cour

Nacido en el seno de una familia de agricultores, La Cour mostró desde muy joven un gran interés por la ciencia y la tecnología. A pesar de sus humildes orígenes, recibió una buena educación, asistiendo a la prestigiosa Academia Sorø y más tarde a la Universidad Técnica de Dinamarca.

Fue durante su estancia en la universidad cuando La Cour empezó a interesarse por el potencial de la energía eólica. Estudió el trabajo de los pioneros en este campo, como Thomas P. Smith y Charles F. Brush, y empezó a experimentar con sus propios diseños de turbinas eólicas.

El descubrimiento que llevó a La Cour a la energía eólica

Mientras estudiaba la energía eólica, La Cour descubrió que podía generar electricidad. Fue un descubrimiento pionero en su época, ya que hasta entonces la energía eólica sólo se había utilizado con fines mecánicos, como moler grano.

La Cour se dio cuenta de que los aerogeneradores podían utilizarse para generar electricidad a gran escala, proporcionando una fuente de energía limpia y renovable. Comenzó a centrar sus investigaciones y experimentos en el desarrollo de turbinas eólicas que pudieran convertir eficazmente la energía del viento en energía eléctrica.

Diseño del rotor de La Cour: La contribución de La Cour a la tecnología eólica

La contribución más significativa de La Cour a la tecnología de la energía eólica fue el desarrollo del rotor La Cour. Este innovador diseño presentaba un rotor con palas curvadas que le permitía captar más energía eólica que los diseños anteriores.

El rotor de La Cour supuso un gran avance en la tecnología de la energía eólica y sigue siendo la base de muchos aerogeneradores modernos. La Cour siguió perfeccionando su diseño a lo largo de los años, creando turbinas más grandes y eficientes que podían generar más energía.

El primer molino de viento eléctrico del mundo

El molino de viento eléctrico de La Cour se diseñó para producir electricidad para la pequeña ciudad de Askov (Dinamarca). El molino tenía un rotor de 6 metros de diámetro y estaba conectado a una dinamo de 2,5 kW. La dinamo se utilizó para producir electricidad que se inyectó en la red eléctrica de la ciudad.

El molino de viento eléctrico fue un gran éxito y proporcionó electricidad a la ciudad de Askov durante muchos años. El invento de La Cour fue también un hito importante en el desarrollo de la tecnología eólica, ya que demostró que la energía del viento podía utilizarse para producir electricidad a gran escala.

La importancia de los libros y artículos de La Cour sobre la energía eólica

Además de su labor práctica en el campo de la energía eólica, La Cour fue también un prolífico escritor sobre el tema. Publicó numerosos artículos y libros sobre tecnología eólica y compartió sus conocimientos con la comunidad científica.

Los libros y artículos de La Cour ejercieron una gran influencia en el desarrollo de la energía eólica, proporcionando una valiosa orientación e inspiración a otros científicos e ingenieros que trabajan en este campo. Muchas de sus ideas y conceptos siguen siendo relevantes hoy en día, y sus escritos continúan siendo estudiados y referenciados por los investigadores de la industria de la energía eólica. En 1900, La Cour publicó un libro titulado "Windmills: Theory and Practice", que se convirtió en una referencia para los ingenieros y diseñadores de molinos de viento de todo el mundo. En el libro, La Cour presentaba una serie de cálculos matemáticos y experimentos prácticos que demostraban la viabilidad de los molinos de viento como fuente de energía.

La Cour, defensor de la educación y la ciencia

A lo largo de su vida, La Cour fue un firme defensor de la educación y la investigación científica. Creía que la educación era la clave del progreso y que el conocimiento científico era esencial para mejorar la vida de las personas. La Cour trabajó incansablemente para promover la ciencia y la educación, y fue director del Instituto Meteorológico Danés y del Laboratorio Nacional Danés de Energía Sostenible. También fue miembro fundador de la Academia Danesa de Ciencias Técnicas, que hoy sigue promoviendo la investigación científica y la innovación en Dinamarca.

Clase 1904 de Poul La Cour

La clase de 1904 de Poul La Cour fue un hito importante en la historia de la energía eólica. En esta clase, La Cour enseñó a sus alumnos a diseñar y construir turbinas eólicas para generar electricidad. Se trataba de un concepto revolucionario en aquella época, ya que la mayoría de las turbinas eólicas se utilizaban principalmente para moler grano o bombear agua.

La clase de 1904 se reunió en el Politécnico de Copenhague, donde La Cour era profesor de física. La Cour creía que la energía eólica tenía un gran potencial para generar electricidad y estaba convencido de que sus alumnos podían ayudar a hacer realidad esta visión. Durante la clase, los alumnos aprendieron los principios básicos de la energía eólica y la física de los aerogeneradores. También recibieron instrucciones detalladas sobre cómo diseñar y construir turbinas eólicas eficientes y fiables. La Cour y sus alumnos diseñaron y construyeron varios aerogeneradores durante la clase, incluido uno que generaba electricidad suficiente para alimentar una pequeña bomba de agua. Esta demostración fue una prueba impresionante del potencial de la energía eólica y suscitó mucho interés en la prensa y la industria.

Tras la promoción de 1904, La Cour siguió trabajando en el desarrollo de turbinas eólicas y promoviendo su uso en Dinamarca y en todo el mundo. En 1908 fundó en Askov (Dinamarca) el primer instituto de investigación sobre energía eólica del mundo, y en 1918 fundó la Sociedad Internacional de Energía Eólica.

La clase de Poul La Cour de 1904 fue un hito importante en la historia de la energía eólica, ya que sentó las bases para el desarrollo de turbinas eólicas eficientes y fiables para la generación de energía. La visión y la dedicación de La Cour a la energía eólica han dejado una huella imborrable en la industria y en el mundo.

Johannes Juul: El destacado ingeniero formado por Poul La Cour

Johannes Juul fue un ingeniero danés conocido por su trabajo en el campo de la energía eólica. Fue alumno de Poul La Cour en la Universidad Técnica de Dinamarca y trabajó estrechamente con él durante muchos años. Juul fue uno de los primeros ingenieros en diseñar y construir grandes turbinas eólicas. En 1929 diseñó y construyó en Gedser (Dinamarca) una turbina eólica de 200 kilovatios, la mayor del mundo en aquella época. La turbina se utilizó para generar electricidad para una red eléctrica local.

Juul fue también fundador y director de la empresa de energía eólica Vindmølleindustrien, que se convirtió en uno de los principales fabricantes de turbinas eólicas de Dinamarca. Bajo su dirección, la empresa desarrolló varias tecnologías innovadoras, entre ellas la tecnología de control de paso variable, que permitía a las turbinas eólicas funcionar de forma más eficiente.

Además de su trabajo en energía eólica, Juul fue también un defensor del uso de energías renovables en general y de la eliminación progresiva de los combustibles fósiles en favor de fuentes de energía más limpias y sostenibles.

El legado de La Cour

Las contribuciones de La Cour a la tecnología de la energía eólica han tenido un impacto duradero en la industria de las energías renovables. Su trabajo a principios del siglo XX sentó las bases para el desarrollo de las turbinas eólicas modernas, que se han convertido en una fuente esencial de energía renovable en todo el mundo.

Hoy en día, la energía eólica es una de las fuentes de electricidad de más rápido crecimiento en todo el mundo, y la tecnología sigue avanzando. Los parques eólicos a gran escala son cada vez más comunes, y se están realizando esfuerzos para desarrollar aerogeneradores marinos que pueden generar aún más electricidad.

La Cour era un defensor de la energía eólica como fuente de energía sostenible y renovable. En un discurso pronunciado en 1908, afirmó que "la energía eólica es la fuente de energía del futuro" y predijo que los molinos de viento se convertirían en un elemento habitual del paisaje de todo el mundo. Parece que las predicciones de Poul La Cour se están cumpliendo y es posible que la energía eólica lidere la transición hacia una matriz energética libre de combustibles fósiles.

Referencia

[1] Burton, T., etc., Sharpe, D., Jenkins, N., & Bossanyi, E. (2001). Wind Energy Handbook. John Wiley & Sons.

[2] https://bramminginfo.dk/poul-la-cour.html

[3] https://www.siemensgamesa.com/es-es/descubrir/revista/2019/11/siemens-gamesa-inventors-day

Conceptos preliminares

Para calcular la energía anual producida por un aerogenerador, se debe tener en cuenta los siguientes conceptos:

La curva de potencia del aerogenerador (P(v)): Esta curva puede obtenerse del fabricante. Hay que tener en cuenta que la curva proporcionada por el fabricante se obtiene en condiciones estándar (15°C y 1,01 bar), para una densidad del viento de 1.225 kg/m³.

La curva de distribución de Weibull (p(v)): Esta curva se obtiene mediante un tratamiento estadístico de las velocidades del viento a la altura del buje del aerogenerador durante un año. Es una distribución continua versátil que puede utilizarse para modelar matematicamente las velocidades del viento. También puede sustituirse por la distribución de probabilidad de las velocidades del viento.

Es posible calcular la energía producida por un aerogenerador mediante dos procedimientos: discreto o numérico. Generalmente, la curva de potencia (P-v) no está expresada en forma matemática, sino que el fabricante la proporciona de manera discreta, es decir, en forma de una tabla con una serie de puntos que relacionan una determinada velocidad del viento (m/s) con una determinada potencia (MW).

• To use the numerical method, it is necessary to obtain the mathematical equation of the power curve and the Weibull distribution curve for one year.
• To use the discrete method, it is necessary to obtain the manufacturer’s power curve in tabular form and the statistical treatment of wind speeds for one year.

Por tal motivo, es usual utilizar el método discreto para calcular la energía que produce el aerogenerador.

Cálculo Energético (Método Discreto)

La producción de energía anual (E_a) de un aerogenerador es calculado mediante la siguiente ecuación:

P_i : Potencia a la velocidad “i
f_i : Frecuencia relativa “i”
T : Periodo de tiempo de producción (8760 horas)

Factor de Capacidad (FC)

Se define como la relación entre la energía eléctrica (E_a) producida durante un periodo de tiempo (T) y la energía que se hubiera producido si durante ese periodo de tiempo hubiese estado operando continuamente a potencia nominal (P_n). También es conocido como Factor de Carga. Se puede definir mediante la siguiente ecuación:

Aplicación

Se tiene los datos registrados de la velocidad del viento en un determinado lugar. Los datos han sido agrupados en paquetes de velocidad centrados en valores intermedios (1, 2, 3, 4, …, 20), ya que generalmente el fabricante facilita los datos de potencia para valores centrados en números naturales. En la Tabla 1 se muestra el tratamiento estadístico de las velocidades de viento durante un año.

La curva de potencia P-V es obtenida del fabricante Goldwind GW121/2500 para condiciones estándares.

La Figura 2 muestra la curva de potencia (P-V) del fabricante Goldwind.

El número de horas al año que representa una determinada velocidad se obtiene multiplicando la frecuencia de aparición (fi) por el número de horas del año (8760 h). De esta manera, se puede rellenar la Tabla 3 que representa la producción de energía Goldwind GW121/2500 de 2.5 MW para condición estándar.

El factor de capacidad del aerogenerador se calcula de la siguiente manera:

Un factor de capacidad (FC) del 56,5% indica una valoración extraordinaria de la producción energética del aerogenerador. Esto es sólo un ejemplo, ya que depende de la elección de la máquina.

Referencia

[1] Goldwind GW121/2500 – Fabricantes y aerogeneradores – Acceso en línea – The Wind Power. (s/f). Thewindpower.net. Recuperado el 21 de enero de 2023, de https://www.thewindpower.net/turbine_es_1029_goldwind_gw121-2500.php.