Energía Eólica. Fundamentos, Tecnologías y Aplicaciones

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Prólogo .......................................................................................................................... XV
CAPÍTULO 1
Introducción a la energía eólica ................................................................................ 1
1.1 ¿Qué es energía? ................................................................................................. 1
1.1.1 ¿Qué energías son renovables? .............................................................. 2
1.1.2 ¿Qué energías no son renovables? ........................................................ 2
1.2 ¿Por qué es importante y trascendental contar con energías limpias? .......... 5
1.3 ¿Qué es el efecto invernadero? .......................................................................... 5
1.4 ¿Qué es el cambio climático? ............................................................................. 6
1.5 ¿Qué está haciendo la comunidad internacional para mitigar las emisiones
de los gases de efecto invernadero? ............................................................... 6
1.6 ¿Qué hacen los países latinos para mitigar el efecto invernadero? ................ 7
1.6.1 ¿Qué hace España para mitigar el cambio climático? .......................... 7
1.7 Acuerdos internacionales para proteger el medio ambiente ........................... 8
1.8 Energía eólica ...................................................................................................... 8
1.8.1 Importancia de la energía eólica para mitigar el cambio climático ...... 9
CAPÍTULO 2
Antecedentes de la energía eólica ........................................................................... 11
2.1 Introducción ......................................................................................................... 11
2.2 ¿Qué es la energía eólica y cómo funciona? ..................................................... 11
2.3 Historia de la energía eólica ............................................................................... 14
2.4 Ventajas y desventajas de la energía eólica ..................................................... 18
2.4.1 Ventajas de la energía eólica .................................................................. 19
2.4.2 Desventajas de la energía eólica ............................................................ 20
2.5 Países líderes en generación de energía eólica ................................................ 21
2.6 Potencial del viento en Europa ........................................................................... 23
2.7 Potencial del viento en Latinoamérica ............................................................... 25
2.8 España apuesta por la energía eólica para su futuro energético .................... 27
2.9 Autoevaluación Capítulo 2 .................................................................................. 29
CAPÍTULO 3
El viento como recurso energético ............................................................................ 31
3.1 Introducción ......................................................................................................... 31
3.2 Características de la atmósfera ......................................................................... 32
3.3 Origen del viento .................................................................................................. 33
3.4 Potencial energético del viento y Ley de Weibull .............................................. 34
3.5 Cálculos de energía eólica y factores que influyen en la producción
de energía ............................................................................................................. 46
3.6 Influencia de obstáculos, relieve del terreno y estelas de los
aerogeneradores en la producción de energía eólica ....................................... 51
3.6.1 Variación del viento con la altura ............................................................ 56
3.7 Dirección y velocidad del viento y tipos de vientos en la superficie ................ 61
3.7.1 Vientos locales ......................................................................................... 61
3.8 Escala Beaufort ................................................................................................... 63
3.9 Efecto Coriolis ...................................................................................................... 67
3.10 Distribución de Rayleight .................................................................................. 73
3.11 Medición del viento ........................................................................................... 75
3.12 Principios básicos de aerodinámica y mecánica de los aerogeneradores ... 77
3.12.1 Principios básicos de aerodinámica ..................................................... 78
3.12.2 Mecánica de los aerogeneradores ....................................................... 78
3.13 Autoevaluación Capítulo 3 ................................................................................ 79
CAPÍTULO 4
Tecnologías de aerogeneradores .............................................................................. 83
4.1 Introducción ......................................................................................................... 83
4.2 Diseño de aerogeneradores ............................................................................... 83
4.2.1 Aerogeneradores más comunes ............................................................. 88
4.3 Tipos de aerogeneradores .................................................................................. 91
4.3.1 Aerogeneradores de eje horizontal ......................................................... 92
4.3.2 Aerogenerador eje horizontal tipo offshore ............................................ 96
4.3.3 Aerogeneradores de eje vertical ............................................................. 97
4.3.4 Aerogeneradores «especiales» ................................................................ 99
4.4 Componentes y partes clave de un aerogenerador .......................................... 100
4.4.1 Torre de contención ................................................................................. 101
4.4.2 Álabes ....................................................................................................... 102
4.4.3 Rotor .......................................................................................................... 102
4.4.4 Góndola ..................................................................................................... 102
4.4.5 Generador ................................................................................................. 102
4.4.6 Caja de engranajes .................................................................................. 102
4.4.7 Sistema de frenado .................................................................................. 103
4.4.8 El sistema de control ............................................................................... 103
4.4.9 Convertidor de potencia .......................................................................... 103
4.4.10 El sistema de refrigeración ................................................................... 103
4.4.11 Sistema de lubricación .......................................................................... 104
4.4.12 El sistema de iluminación y señalización ............................................. 104
4.4.13 Sistema de orientación ......................................................................... 104
4.4.14 Cimientos terrestres .............................................................................. 105
4.4.15 Cimientos offshore ................................................................................. 108
4.5 Innovaciones tecnológicas en aerogeneradores ............................................... 110
4.6 Proceso de conversión de la energía eólica cinética del viento en energía
eléctrica .............................................................................................................. 112
4.6.1 Tipos de generadores .............................................................................. 114
4.6.2 Subsistemas de regulación y control ...................................................... 117
4.7 Curva de potencia de los tipos de aerogenerador ............................................ 123
4.8 Autoevaluación Capítulo 4 .................................................................................. 126
CAPÍTULO 5
Instalación y puesta en marcha de parques eólicos .............................................. 131
5.1 Introducción ......................................................................................................... 131
5.2 Selección ideal de ubicación de parques eólicos ............................................. 131
5.3 Construcción de parques eólicos ....................................................................... 134
5.3.1 Selección de la ubicación ........................................................................ 134
5.3.2 Equipamiento y construcción .................................................................. 134
5.3.3 Obtención de permisos y autorizaciones ................................................ 135
5.3.4 Pruebas y puesta en marcha .................................................................. 135
5.3.5 Operación y mantenimiento .................................................................... 135
5.4 Operación de parques eólicos y tipos de mantenimiento ................................ 136
5.4.1 Mantenimiento preventivo ...................................................................... 137
5.4.2 Mantenimiento correctivo ....................................................................... 137
5.4.3 Mantenimiento predictivo ........................................................................ 137
5.5 Autoevaluación Capítulo 5 .................................................................................. 139
CAPÍTULO 6
Integración de parques eólicos a la red eléctrica ................................................... 141
6.1 Introducción ......................................................................................................... 141
6.1.1 Estudios preliminares .............................................................................. 143
6.2 Diseño de la infraestructura eléctrica ................................................................ 144
6.3 Interconexión de aerogeneradores .................................................................... 146
6.3.1 Subestación del parque eólico ................................................................ 148
6.3.2 Líneas de transmisión ............................................................................. 150
6.3.3 Subestación de conexión ......................................................................... 152
6.3.4 Sincronización con la red eléctrica ......................................................... 154
6.3.5 Pruebas y certificación ............................................................................. 156
6.4 Sistema de almacenamiento de energía ........................................................... 158
6.4.1 Baterías ..................................................................................................... 159
6.4.2 Pilas de combustible ................................................................................ 159
6.4.3 Almacenamiento hidráulico ..................................................................... 160
6.4.4 Almacenamiento térmico ......................................................................... 160
6.4.5 Almacenamiento de aire comprimido ..................................................... 160
6.4.6 Almacenamiento de hidrógeno ............................................................... 161
6.5 Desafíos de la integración de la energía eólica en la red eléctrica ................. 162
6.6 Soluciones para la integración de energía eólica en la red eléctrica .............. 164
6.7 Autoevaluación Capítulo 6 .................................................................................. 166
CAPÍTULO 7
Perspectivas de la energía eólica ............................................................................ 171
7.1 Introducción ......................................................................................................... 171
7.2 Innovaciones futuras en tecnologías de aerogeneradores .............................. 172
7.2.1 Materiales compuestos reciclables ........................................................ 172
7.2.2 Álabes más largos y flexibles .................................................................. 173
7.2.3 Aerogeneradores con placas solares integradas ................................... 173
7.3 Mejoras en la eficiencia de la energía eólica .................................................... 174
7.3.1 Diseño aerodinámico de los álabes ........................................................ 174
7.3.2 Reducción de las pérdidas y la resistencia mecánica ........................... 175
7.3.3 Mejoras en la transmisión y distribución de la energía eólica .............. 175
7.3.4 Eficiencia en la captación y aprovechamiento del viento ..................... 176
7.4 Oportunidades de crecimiento y desarrollo en la industria de la energía
eólica .................................................................................................................. 177
7.5 Nuevos materiales y tecnologías en la energía eólica ...................................... 179
7.6 Smart Grid ............................................................................................................ 182
7.6.1 Definición y características de los Smart Grids ..................................... 183
7.6.2 Descripción de la energía eólica y su importancia en el contexto
de los Smart Grids ..................................................................................... 184
7.6.3 Integración de la energía eólica en la red eléctrica ............................... 186
7.6.4 Tecnologías de control utilizadas en los Smart Grids para
la energía eólica ........................................................................................ 191
7.6.5 Tecnologías de comunicación utilizadas en los Smart Grids para
la energía eólica ........................................................................................ 193
7.7 Autoevaluación Capítulo 7 .................................................................................. 196
CAPÍTULO 8
Casos de éxito de proyectos eólicos ......................................................................... 201
8.1 Introducción ......................................................................................................... 201
8.2 Casos de éxito en energía eólica en todo el mundo ......................................... 201
8.2.1 Casos de éxito en Europa ........................................................................ 202
8.2.2 Casos de éxito en América ...................................................................... 205
8.2.3 Casos de éxito en Asia ............................................................................. 208
8.2.4 Casos de éxito en África .......................................................................... 211
8.2.5 Casos de éxito en Oceanía ...................................................................... 215
8.3 Proyectos de energía eólica en condiciones climáticas extremas ................... 218
8.3.1 Energía eólica en las zonas polares ....................................................... 219
8.4 Autoevaluación Capítulo 8 .................................................................................. 222
CAPÍTULO 9
Economía y financiación de proyectos de energía eólica ...................................... 225
9.1 Introducción ......................................................................................................... 225
9.2 Análisis de coste-beneficio de proyectos de energía eólica ............................. 225
9.3 Vida útil de los aerogeneradores ........................................................................ 227
9.4 Autoevaluación Capítulo 9 .................................................................................. 230
CAPÍTULO 10
Marco legal y regulaciones en la energía eólica ..................................................... 233
10.1 Introducción ....................................................................................................... 233
10.2 Marco jurídico y regulatorio de la energía eólica en España ......................... 234
10.2.1 Ley del Sector Eléctrico ......................................................................... 234
10.2.2 Real Decreto de Acceso y Conexión a las Redes Eléctricas ............... 234
10.2.3 La Ley de Cambio Climático y Transición Energética .......................... 235
10.3 Licencias, permisos y autorizaciones para proyectos de energía eólica
en España .......................................................................................................... 235
10.4 Introducción al Código de Red. ¿Qué es y por qué es importante? .............. 236
10.5 Requisitos técnicos del Código de Red para proyectos eólicos ..................... 237
10.5.1 Código de Red: Calidad ......................................................................... 237
10.5.2 Código de Red: Seguridad ..................................................................... 238
10.5.3 Estabilidad del suministro eléctrico ..................................................... 239
10.6 Normas y procedimientos del Código de Red para la conexión
de proyectos eólicos en España ....................................................................... 240
10.6.1 Sistema eléctrico español ..................................................................... 240
10.6.2 Normas aplicables en España en la industria eléctrica ...................... 242
10.6.3 Requerimientos técnicos del Código de Red ....................................... 243
10.7 Cumplimiento y certificación del Código de Red en proyectos eólicos ......... 244
10.8 Normas y certificaciones internacionales de calidad aplicables
a la operación y puesta en marcha de un parque eólico ................................ 245
10.9 Autoevaluación Capítulo 10 ............................................................................. 250
CAPÍTULO 11
Eficiencia energética y gestión de la energía eólica ............................................... 253
11.1 Introducción ....................................................................................................... 253
11.2 Técnicas para mejorar la eficiencia energética de la generación eólica
en España .......................................................................................................... 253
11.3 Gestión de la energía producida por parques eólicos .................................... 255
11.4 Optimización de la distribución de la energía eólica en la red eléctrica ....... 256
11.5 Gestión de la energía producida por parques eólicos .................................... 257
11.6 Optimización de la distribución de la energía eólica en la red eléctrica ....... 259
11.7 Autoevaluación Capítulo 11 ............................................................................. 262
CAPÍTULO 12
Impacto ambiental de la energía eólica .................................................................. 265
12.1 Introducción ....................................................................................................... 265
12.2 Evaluación de los efectos ambientales de los parques eólicos .................... 265
12.3 Conservación de la vida silvestre y hábitats en áreas de la energía eólica .. 268
12.4 Mitigación de impactos sonoros y visuales ..................................................... 270
12.4.1 Impactos visuales .................................................................................. 270
12.4.2 Impactos sonoros .................................................................................. 272
12.5 Autoevaluación Capítulo 12 ............................................................................. 276
CAPÍTULO 13
Operación y mantenimiento de un parque eólico ................................................... 279
13.1 Introducción ....................................................................................................... 279
13.2 Tipos de mantenimiento ................................................................................... 279
13.2.1 Mantenimiento preventivo .................................................................... 280
13.2.2 Mantenimiento correctivo ..................................................................... 286
13.3 Planificación y programación del mantenimiento .......................................... 289
13.4 Gestión de repuestos y materiales .................................................................. 293
13.5 Seguridad y salud laboral en el mantenimiento ............................................. 294
13.5.1 Caída en altura ....................................................................................... 295
13.5.2 Arco eléctrico .......................................................................................... 296
13.5.3 Incendio .................................................................................................. 298
13.5.4 Protecciones para el ruido en el mantenimiento ................................ 299
13.5.5 Capacitación y entrenamiento .............................................................. 300
13.5.6 Procedimientos de trabajo seguros ...................................................... 301
13.5.7 Gestión de sustancias peligrosas ......................................................... 302
13.5.8 Cultura de seguridad ............................................................................. 302
13.6 Evaluación de la eficiencia y la calidad del mantenimiento .......................... 302
13.7 Autoevaluación Capítulo 13 ............................................................................. 305
Glosario ....................................................................................................................... 309
Solucionario ejercicios ............................................................................................... 333
Solucionario autoevaluación ..................................................................................... 341
Referencias ................................................................................................................. 345

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