IER Eolica

22/03/2015

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INSTALACIONES DE ENERGÍAS RENOVABLES

4º Curso del Grado de Ingeniería Mecánica

Escuela Politécnica Superior

Universidad Carlos III de Madrid

Curso 2014/15


Profesores:

Rubén Ventas Garzón

Antonio Lecuona Neumann

Pedro A. Rodríguez Aumente

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1. Panorama de las energías renovables.

2. Energía solar.

3. Energía eólica.

4. Energía hidroeléctrica.

5. Energía geotérmica.

6. Biomasa y biocombustibles.


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1. Panorama de las energías renovables.

2. Energía solar.

3. Energía eólica.

4. Energía hidroeléctrica.

5. Energía geotérmica.

6. Biomasa y biocombustibles.


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Índice:

1. Estado actual y perspectivas.

2. Tecnología eólica.

3. Aspectos económicos.

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Índice:

1. Estado actual y perspectivas.

2. Tecnología eólica.

3. Aspectos económicos.

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ENERGÍA EÓLICA

Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

• Fuente de energía con gran crecimiento reciente.

• Buena posición de nuestro país.

• Aún buenas perspectivas de crecimiento por renovación de los parques actuales.

Potencia instalada en Europa:[MWe] 1994 2000 2002 2003 2004 2005 2007 2008

Alemania 643 6.113 12.000 14,600 16.600 18.400 22.200 23.902

España 100 2.334 4.830 6.200 8.000 10.000 12.000 16.740

Estados Unidos

2.200 2.555 4.500 14.000 25.369

Dinamarca 535 2.297 2.456 3.000 3.163

Reino Unido 170 425 525 1.900 3.331

Holanda 147 473 523 1.500 2.214

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

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• Potencia mundial instalada:

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Previsiones de crecimiento:

La European Wind Energy Association (EWEA) estimaba que para el año 2030 un 10% de la electricidad en la Unión Europea puede ser de origen eólico.

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Potencia eólica instalada en España…

… y porcentaje de la demanda de electricidad cubierta.

Mismo porcentaje que nuclear en 2013.

Del mismo orden que CGCC (26 GW)

3 veces la nuclear (7 GW)

y más de 5 la solar (4 GW).

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Impacto en la generación eléctrica:Datos significativos

• Capacidad mundial instalada de 0,28 TW en 2012 sobre 72 TW teóricamente posible.

• Considerando 1-2 TW instalados para el año

2020, el crecimiento anual mundial sería del 15%.

• Generó el 3% del consumo mundial de

electricidad en 2012; 17% en España, la

proporción más alta del mundo, fuente:

Energías Renovables, marzo de 2013. Fuente: Red

Eléctrica Española (REE).

• 23 GWe operativos en España 2013, 4ª

posición del mundo después de China,

Estados Unidos y Alemania. Al mismo

tiempo el número de centrales nucleares

españolas disminuyó en 1.

• Economía: la producción cuesta alrededor de un 50% más que las fósiles, pero deben

considerarse los costes externos (ocultos) de estos últimos:

Emisiones atmosféricas: descontaminación, daños a la población, edificios u

otros.

Agotamiento de fuentes naturales.

Salida de divisas por importación de combustibles fósiles.

Aseguramiento del suministro de electricidad.

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

La industria Eólica:•La fabricación de turbinas eólicas constituye una industria floreciente (sefabricaron 50.000 unidades de aerogeneradores modernos en 2000).

•El tamaño unitario ha aumentado desde los 600 kW de potencia nominala 3,5 MW y 40 a 60 m de diámetro. Actualmente se prueban prototiposde 6 MW. Luego queda aún tecnología por desarrollar.

•Al estar basada su tecnología en gran parte en varias otras tecnologíasconvencionales, los fabricantes se encuentran poco concentrados,aunque hay que admitir una ventaja estadounidense en América, danesay alemana en Europa.

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La industria Eólica:

Reparto por fabricantes correspondiente a España

Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

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Mapa eólico europeo. Las regiones más oscuras muestran recursos eólicos mayores.

Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Physics Today, October 1995, p. 30.

14


España:

Los mejores vientos se encuentran en las costas occidentales y en menor medida en las costas del Mediterráneo y cuenca del Ebro.

El potencial marino (eólica “offshore”) es alto, pero España no tiene plataforma continental suficiente para instalar aeroturbinas → flotantes?

Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

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Tecnología actual y proyección hacia el futuro:

Rápido desarrollo en los últimos años ⇒ Maduraciónde la tecnología.

Consecuencias:

• Reducción del precio de adquisición hasta valoresen torno a 800 €/kW para un margen de potenciasmáximas de 0,6 a 1,5 MW, objetivo 600€/kW.

• Reducción de los costes de explotación,situándose actualmente en el intervalo de 35 a 90€/MWh para zonas de potencial eólico aceptable,con un valor típico de 50 – 60 €/MWh frente a las60 €/MWh de la energía convencional.

Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Tecnología de aeroturbinas:

Disposición general

Los aerogeneradores actuales de eje horizontal están constituidos por:

• Cimentación subterránea de hormigón armado adecuada al terreno y a las cargas del viento.

• Torre, que eleva el aerogenerador con el objeto de evitar las bajas velocidades de viento junto a la superficie del terreno (valor típico de la altura H = 0,75D+10m, D el diámetro del rotor).

• Góndola giratoria de acero o fibra de vidrio, que encierra:

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Góndola giratoria de acero o fibra de vidrio, que encierra:

Tren de potencia: eje del rotor (lento), caja multiplicadora (deengranajes planetarios o normal), eje rápido y acoplamientosflexibles.Maquinaria eléctrica: generador eléctrico, controles,accionamientos y máquinas auxiliares. Transformador a pie detorre.Mecanismos auxiliares, generalmente hidráulicos:

sistema de orientaciónfreno de emergencia del rotorfreno de orientación de la góndolamecanismo de cambio de pasoaerofrenosascensor, etc.

Sistema de control: encargado de la supervisión de lasvariables operativas, registro de incidencias y control delfuncionamiento (arranque, parada, enganche a la red, protecciónde embalamiento, orientación, paso de las palas.

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

1. Bancada2. Eje de baja velocidad3. Mecanismo de cambio de paso4. Pala

5. Buje6. Caja multiplicadora7. Fijación del basculamiento8. Freno de disco

9. Generador10. Eje de alta velocidad11. Fusible de par12. Unidad hidráulica

13. Motor de orientación14. Corona de orientación15. Sensor de orientación16. Unidad de control en góndola

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Exterior:

Buje, que une las palas del rotor y que puedeincorporar sus articulaciones, como cambio de paso,conicidad, etc..

Palas, cuyo eje de giro suele estar inclinado algunosgrados sobre la horizontal, con el objeto de alejar laspalas de la torre.

Mecanismo aerodinámico de orientación, porveleta de cola (solamente pequeños tamaños) uorientación asistida.

Estación meteorológica, con medida de lavelocidad y dirección del viento, temperatura y presiónatmosférica.

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

ENERGÍA DISPONIBLE EN UNA CORRIENTE DE AIRE:

Energía cinética de una corriente de aire [J]:

Densidad del aire [kg/m3]:

Energía cinética por unidad de volumen (presión dinámica) [Pa]:

Caudal a través de una sección de área A [m3/s]:

Potencia eólica de la corriente de aire que llega a la aeroturbina [W]:

Densidad de potencia (por unidad de superficie) de la corriente de aire) [W/m2]:

2

2

1mvEcm =

V

m=ρ

2

2

1v

V

Ee cm ρ==

vAQ =&

AvQeP 3

2

1 ρ== &

3

2

1v

A

QeDP ρ==

&

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

ENERGÍA APROVECHABLE EN UNA AEROTURBINA:

Velocidad (m/s) 1 2 5 7 10 20 40 Fuerza del viento (grados Beaufort)

1 2 3 4 5 9 12

Definición por observación de sus efectos

No mueve banderas.

Mueve banderas.

Extiende banderas

Levanta polvo. Mueve las ramas pequeñas de árboles

Mueve los árboles pequeños. En estanques forma pequeñas olas

Desperfectos en partes salientes de edificios. Derribo de chimeneas

No hay experiencia

Densidad de potencia (W/m2)

0,6 4,9 76 210 612 4,9 * 103 39 * 103

Energía anual kWh

5,3 43 666 1,84 * 103 5,36 * 103 42,9 * 103 341 * 103

Presión dinámica (mbar)

6,1 * 10-3 0,025 0,15 0,30 0,61 2,45 9,8

Coeficiente de potencia []:

Av

PC a

P3

21 ρ

=v

Rωλ =

Velocidad del rotor []:

Parámetros característicos de operación de una aeroturbina:

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.


Av

PC a

P3

21 ρ

=

v

Rωλ =

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.


Av

PC a

P3

21 ρ

=

v

Rωλ =

Límite de Betz

Límite de

Glauert

Savonius

Multipala Darrieus

De eje

horizontal

moderna

λ

Cp

0,0 1 2 3 4 5 6 7

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Aeroturbinas rápidas

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.


No se puede calcular Cp con A y v1 sino con A1 y v1

v1>v>v2

A1<A>A2

Límite de Betz:

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.


…y además la corriente sale girando.

http://www.ega-asociacioneolicagalicia.es/es/elvientoengalicia/emplazamiento.php

Límite de Glauert

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Perfil de velocidad del viento cerca del suelo:

n 0.2:= v h( ) v0h

h0

n

⋅:=

0 5 10 15 200

20

40

60

80

100

h0

m

h

m

v0

m

s

v h( )

m

s

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Sistema de control:

Inconstancia del viento necesario disponer de métodos pasivos o activos de control del aerogenerador, para:

• Evitar sobrecargar el tren de potencia de la aeroturbina, fundamentalmente por par motor.

• Evitar una velocidad de giro excesiva que ocasione sobreesfuerzos centrífugos.

• Respetar los límites de funcionamiento del generador, generalmente régimen de giro e intensidad.

El sistema de protección frente al exceso de viento:• Control por cambio de paso.• Control por pérdida aerodinámica.

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P (kW) Paso fijo y pérdida aerodinámica Potencia Paso variable nominal Pn Carga parcial Plena carga va vn vpa v (m/s) Velocidad Velocidad Velocidad de arranque nominal de parada

Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Curva de potencia: Potencia eléctrica disponible como función de la velocidad del viento

Nula hasta una velocidad mínima o de arranque va (~2m/s). va - vn (~10 a 15 m/s) crece rápidamente (~v3). a partir de vn comienzan a actuar los mecanismos de limitación P de salida ~ cte = Pn potencia nominal.

velocidad de parada vpa (~20 a 25 m/s) la potencia de salida cae rápidamente o se anula el funcionamiento (mecanismos de protección).

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Poco paso Paso intermedio Mucho paso (en bandera, reposo)

Góndola

Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

El control por cambio de paso:

caro y complejo aerogeneradores del mayor tamaño.

Frente a vientos intensos ofrece protección efectiva al permitir colocarlas palas en bandera (en dirección al viento).

Las menores cargas que origina el control de cambio de paso, permitereducir el peso de la caja de engranajes.

Se explora el cambiar el paso de cada pala de forma independiente, asíse logra equilibrar las fuerzas mejor.

θθ

θ

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

El control por pérdida aerodinámica:

A partir de una cierta velocidad del viento aparece la pérdida aerodinámica, limitándose de forma natural el par que aparece en el eje.

La entrada en pérdida ocasiona vibraciones que hace que el conjunto móvil haya de ser reforzado.

Debido a que puede resultar insuficiente, se añaden frenos aerodinámicos, consistentes en desprendedores de la corriente retráctiles.

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Sistema eléctrico:• Pequeños tamaños:

Dinamos (cc, < 100W)Alternadores de imanes permanentes (100W – 5kW)

• Generadores síncronos: uso minoritario• Tendencia general: uso de generadores de inducción con rotor

en jaula de ardilla, por:Sencillezausencia de contacto giratoriorobustezbajo costebajo mantenimientofácil enganche a la red, a velocidad diferente a la de sincronismo

• Generadores multipolares de velocidad de giro variable, ventajas:

RendimientoReducción de ruidoEliminación caja multiplicadora

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v

w

Φ1

v1

-vp = -Ωr1

Eje de giro

v

w

i

v

w

i

-vp = -Ωr2

-vp = -Ωr3 r1 < r2 < r 3

Φ2

Φ3

i

Cerca de la raíz

Zona intermedia

Cerca de la punta

Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Coeficiente de potencia y Coeficiente de par:

Av

PC a

P3

21 ρ

=ARv

CCC

2

21 ρ

=CCPa CC

v

RCCP ··

·· λωω ==→= CP CC ·λ=→

Ángulo de paso (θ): Formado por la cuerda del perfil con respecto a un plano perpendicular al eje del rotor. Ángulo de incidencia (i): Formado por la dirección de la velocidad relativa al perfil con la cuerda. Afecta a la sustentación y a la resistencia aerodinámica del perfil.Torsión: θ =f(r) de modo que i se mantenga casi constante

v

rr

·)(

ωλ =

→

)()(

r

Kr

λθ =

1θ2θ

3θ

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Aerodinámica de las palas de una aeroturbina: L Ángulo de sustentación nula

α0 M D Dirección media de la corriente aguas abajo

α i

Dirección de la Ángulo de Ángulo de corriente incidente ataque incidencia cordal

GeometríaOperación

212

212

, , , , ,

, , , , ,

max maxL L

max maxD D

L t cC C Re M forma

w S c c

D t cC C Re M forma

w S c c

= = αρ

= = αρ

644744864748

Sustentación (L): Fuerza perpendicular a la dirección de la corriente incidente. Resistencia (D): Fuerza paralela a la dirección de la corriente incidente.Velocidad incidente (w): Velocidad relativa a la pala (depende de v y de ω·r).Área de pala (S): Superficie de la pala proyectada sobre el plano dela cuerda.

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Aerodinámica de las palas de una aeroturbina:

Corriente adherida al perfil (B) y separada (A) por un ángulo de ataque excesivo.El ángulo de ataque óptimo es el que proporciona CL/CD máximo (~17º en la figura).

- A - Desprendimiento Zona laminar Zona de recirculación

Zona laminar - B - Zona laminar

Estela Zona laminar

CL, CD CLmax 1,0 A

0,8

0,6

0,4

B 0,2

-10º 10º 20º 30º i

CL

CD

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Operación de aeroturbinas:

• Velocidad constante

• Paso constante

Cp Punto de diseño 0,4 Sincronismo

0,3

0,2

0,1 Parada

0 arranque θ 40º 30º 20º 15º 10º 5º 0º

0 5 10 15 λ B

Pe(kW)

Potencia nominal Parada

Potencia de diseño

Arranque

v (m/s)

B’ Sincronismo

v

Rωλ =

•λ disminuye cuando aumenta v

•Control de potencia por pérdida aerodinámica

cte=ω

cte=θ

Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

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• Velocidad constante

• Paso variable

Cp Operación Punto de diseño

0,4 nominal Sincronismo

0,3 Plena

carga α λ3

0,2

0,1 Parada

0 arranque θ 40º 30º 20º 15º 10º 5º 0º θ

0 5 10 15 λ A

Pe(kW)

Potencia nominal Parada

Potencia de diseño

Arranque

v (m/s)

A’ Sincronismo

cte=ω

331

2 3312 ( )

const. /

.

ep e

pp

e

PC P

v A CCR A

v R

P const

= λ ρ ⇒ = ⇒ αλρ Ω Ω = =λ

=

Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

)(vf=θ

•λ disminuye cuando aumenta v

•Control de potencia por variación de paso con v

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• Velocidad variable

• Paso variable Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

v∝ω

)(vf=θ

/const.

R v

v

= Ω ⇒ =Ω ∝

λλ

•λ se mantiene constante cuando aumenta v•Control de potencia por variación de paso y velocidad con v

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Caracterización energética de recursos eólicos:

312

1

i N

i i i p ii

P A v p v C vρ=

== ∑ c = 6,96 m/s

k = 1,96

m/s

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Caracterización energética de recursos eólicos:• Los estudios estadísticos del viento muestran que salvo excepciones, la velocidad del

viento muestra un histograma aproximable por medio de una función de densidad de

probabilidad (fdp) de Weibull, que depende de dos parámetros, k y c que se determinan

por ajuste a las mediciones.

• Ejemplo: histograma real y su ajuste, Fuente CIEMAT 1995:

c = 6,96 m/sk = 1,96

• k es un factor de forma

empíricamente próximo a 2. Si

no se dispone de datos

suficientes se puede inferir de

mediciones en otros lugares

semejantes o usar la

experiencia.

• c es un factor de escala próximo

a la velocidad media del viento.

Por ello, si se dispone de

solamente la media, es posible

inferir c.

• Establecida la fdpse puede

engendrar una serie temporal

sintética para alimentar un

modelo de turbina.

1

expk k

v vfdp v k

c c

− = −

Figura 12.9

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Caracterización energética de recursos eólicos:

p(v) Distribución de Modelo estático frecuencias de v

Σ v Producción P Energética Curva de (kWh) potencia v Series temporales de velocidad y direccón

v Modelo dinámico

P Curva de potencia P Serie temporal Disponibilidad Σ t + modelo de potencia - Arranques/paradas Producción - Pérdidas energéticas Energética dir - Estadísticas de operación (kWh) v t t

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Configuración de un parque eólico:• Aerogeneradores de media potencia o gran potencia con torres

tubulares de 30 m a 40 m de altura (actualmente de hasta 100 m).•Rotores de unos 20 m a 30 m de diámetro (actualmente hasta de60 m).

• Se separan unos 100 m a 200 m para reducir la interferencia entre lasestelas turbulentas creadas por las turbinas para permitir que elmezclado turbulento del aire rellene el defecto de cantidad demovimiento en las estelas.

• Terreno ocupado por cimentaciones, las vías de acceso y el sistemaeléctrico son del 1%, ⇒ el restante 99% puede ser dedicado a laagricultura normal.

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Configuración: Depende del tipo de terreno de la variabilidad direccional del viento.

• Los terrenos llanos permiten disposiciones armoniosas y muy extensas, lo que contribuye a la estética del conjunto.

• Los terrenos accidentados, frecuentes en España:permiten la instalación muy concentrada de aerogeneradoresdificultan el diseño y la construcción de las instalaciones dan como resultado una estética menos aceptable

Vientos variables de dirección es necesaria una separación mayor que evite interferencias aerodinámicas mutuas.

Instalaciones situadas sobre el mar:Dificultades técnicas aun por resolver. Gran extensión disponible. Aún son muy costosas. Calidad del viento.

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Costes:Si se consideran costes externos (u ocultos),•Debidos a la contaminación atmosférica•Daños día a día a las construcciones y a las personas

•Daños y costes de limpieza de los vertidos habituales y accidentales

• Debidos al agotamiento de las reservas naturales.

• Debidos a la salida de divisas.

• Debidos a aseguramiento del suministro energético.

la energía eólica es menos costosa que las formas convencionales de producción de energía eléctrica.

•Carece de residuos de ningún tipo•No requiere materiales exóticos o escasos•No emite contaminantes a la atmósfera•Emisión de ruido acústico•Alteración del paisaje

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Montaje y otros10%

Palas20%

Sistema de control10%

Tren de potencia15%

Sistema eléctrico10%

Góndola10%

Buje5%

Torre20%

Coste F. O. B. de aerogeneradores de media potencia

Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

Distribución de costes:

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Energía eólica

1.Estado actual.

2.Tecnología.

3.Costes.

La reducción de coste en los desarrollos futuros ha de venir por las siguientes vías:

•Reducción de tensiones en los materiales, que puede venir:

Por el uso de construcciones más ligeras.Por el uso de sistemas de velocidad variable con control de par.Trenes de potencia más ligeros y por lo tanto más baratos.

•Uso de conceptos mecánicos más simples:

reducción del número de piezasreducción de la complejidad de montaje y ajustes reducción del mantenimientotrenes de potencia integrados frente al uso de trenes de

potencia modulares formados por subconjuntos comerciales

•Uso de materiales más efectivos con relación a su coste. La elección idónea del diseño, método de fabricación y materiales adecuados es algo aún en estado de maduración

Distribución de costes:

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