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Energía Eólica 1
Contenido
• Introducción• Historia• Viento• Recurso Eólico• Tecnologías para aprovechar el viento• Proyecto
Por qué viento• Carbón
– ExtracciónDistribución quema vapor tur bina vapor ciclo Rankine red eléctrica
• Gas natural, petróleo– Extracción Refinación Distribución …
• Energía nuclear– Extracción Enriquecimiento fisión vapor…
• Energía eólica– Viento Turbina generador red eléctrica
Flexible, no CO2
Potencial del viento
• E solar interacción atmósfera-tierra-océano viento aprox 2% del total se transmite al viento
• E sol: 300-1000W/m2, E viento: 1-3KW/m2• Crecimiento E eólica: 30% anual!• De todas maneras ese 2% es 200 veces el
consumo energético anual de la tierra (del orden de )
Historia
• Velas: al menos 6000 años.• Molinos: Persia (panemone), 900-100 A.C
(http://www.telosnet.com/wind/early.html)
Arrastre
Historia• Europa: 1300-1875 A.D.
Sustentación
Historia
• Turb. Horizontales para bombeo de agua en la América rural del s XIX.
Historia• Revolución industrial
– 1888: Charles Brush (17m diam wind rose configuration, 12kW)
– 1890: Lewis Electric Co. Vende generadores para conectar a turbinas existentes
– 1920s-50s: WECS de 2 y 3 propulsores– 1940s-60s: electrificación de zonas
rurales lleva al desuso de las turbinas eólicas!
Historia
• Innovaciones como control de ángulo de ataque en los años 70s
• Escalamiento a la producción en masa: nuevos materiales
Palmers Putnam´s 1.2 MW años 30s
Hoy
• 25 años: el precio de la E. eólica ha decrecido más del 80% (de 1 us dll a 3-5 centavos de dólar) y puede competir con E. fósil.
• Diseños modernos: GE 3.6 MW, Clipper 2.5 MW (offshore). Suficiente para 100 casas aprox.
¿Qué es el viento?
Sol
• Cambios de densidad debido a dif. De temperatura y densidad. El aire húmedo es menos denso que el aire seco!
• Diferencias de temperaturas debido al terreno, agua, etc.
• Diferencias de presión• Movimiento de la tierra
ρ = ρda (1 + x) / (1 + 1.609 x )
Viento
• Fuerza centrífuga r=6000km, g=9.81m/s2 f=mv2/r
• “Fuerza” de Coriolis
Circulación global, viento geostrófico
No es tan sencillo: turbulencia, efectos de topografía y condiciones de frontera
Atmósfera
No es tan sencillo
• Turbulencia• Efectos de topografía• Transferencia de calor• Frentes y chorros• Tormentas, condensación y
cambios de fase• Inestabilidades
hidrodinámicas, huracanes
• Diferentes escalas de tiempo, longitud– Mesoescala– micrometeorología
Viento, múltiples escalas
Proyecto
Tenemos una torre de 50m Instrumentada con Anemómetros sónicos a cinco diferentes alturas, adquiriendo a 10Hz. Se guardan los datos crudos para futuros análisis.
EquiposSitio Sisal, Yucatán
Estación YC01
Longitud 90° 02’ 48” Oeste
Latitud 21° 09’ 53” Norte
Altura sobre el nivel del mar 0
Alturas de medición H1 (3m), H2 (6m), H3 (12.5m) , H4 (25m), H5 (50m)
Equipo de medición Anemómetros sónicos Thies © 4.382: tres 2D y dos 3D
Globo aerostático (cautivo)
Anemómetro Skywatch ©, temperatura, humedad, presión atmosférica (0.25 Hz)
Estación meteorológica Humedad, temperatura, presión atmosférica, viento (1Hz)
Adquisición y transmisión de datos
Data Logger Blueberry © NDL 485, y dos transmisores Ethernet Xpress de MaxStream©
Fecha de inicio 1de agosto
Lugar Instalaciones de la UNAM en Sisal, Yucatán
Municipio Hunucmá
Estado Yucatán
Propietario de la TorrePropietario de la estación
IIE UNAM-IIE
Anemómetro sónico
Data-Logger
DSP
Mem. Interna
Puertos
Puertos
Procesador
ServLinux
Transmisor inalámbrico
Transmisor inalámbrico
Mem. Interna
switch
Red
El experimento
Acceso directo via web:
- al data-logger y
- a los datos en una base de datos OpenSource
para promover colaboraciones y mantenimiento a distancia
El experimento
InstrumentosProbar Adq. DatosProbar Guardado de datosOrganizar DatosMantenimiento
Detección de erroresRotaciónPromediado temporaldetrendingflujo Estacionario?Corrección estelaCorrección frecuenciaAnálisis y Publicación
Objetivos y variablesHardwareSoftwarePlan de Mantenimiento
Análisis de datos
Resultados preliminaresRosa de vientos A-3 (12m, 3D)
Línea de Costa
Resultados preliminaresRosa de vientos A-5 (50m, 3D)
Línea de Costa
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Velocidad del viento (m/s)
No.
de
even
tos
Resultados preliminareshistogramas de velocidad (A-3: z=12.5 m)
0ln
*)(
zz
ku
zu
U = Velocidad del viento en la altura ZU* = Velocidad de fricciónk = Constante de Von Karmanz = Altura z0 = Rugosidad superficialL = Longitud de Monin-Obukhov
Para condiciones de no neutralidad:
0
ln*
)(
Lz
zz
ku
zu
Perfil de Velocidad
Para condiciones de neutralidad:
4/122 )''''( * wvwuu
Donde se mide la velocidad de fricción usando las fluctuaciones de velocidad:
log z
v
Perfil de velocidades
No Homogeneidad horizontal(capa límite interna)
Zonas costeras: ventajas, desventajas
No Homogeneidad horizontal: caso cuasi-neutral
6 7 8 9 10 11 12 13 14 1510
0
101
sector 90a 190 grados n=16:mar z0=4.0934e-006
z3/L
3=-0.082551,fecha:13-10, hora:15
z3/L
3=-0.0060807,fecha:13-10, hora:16
z3/L
3=-0.012703,fecha:13-10, hora:16
z3/L
3=0.099154,fecha:13-10, hora:17
z3/L
3=-0.0048944,fecha:13-10, hora:18
z3/L
3=-0.039331,fecha:6-11, hora:7
Tierra: rugoso a suavez0 del orden de 2cm
Mar: suave a rugosoz0 del orden de 4 x10-6
Pocos datos. Resultados similares a Echols y Wagner (1972)
2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 610
0
101
102
sector 190a 360 grados n=14:tierra z0=0.013335
z3/L
3=-0.18697,fecha:6-9, hora:2
z3/L
3=-0.11733,fecha:25-10, hora:21
z3/L
3=-0.11252,fecha:26-10, hora:14
z3/L
3=-0.19497,fecha:26-10, hora:20
z3/L
3=0.11497,fecha:16-11, hora:13
z3/L
3=-0.16734,fecha:31-12, hora:14
z3/L
3=-0.17734,fecha:31-12, hora:15
z3/L
3=-0.093074,fecha:31-12, hora:22
z3/L
3=0.18423,fecha:31-12, hora:22
z3/L
3=0.18702,fecha:1-1, hora:7
Proyecto
• Calcular Potencial eólico proveniente de simulaciones, de estación meteorológica, de anemómetros sónicos
• Calcular potencial eólico convencional a 50m• Calcular rugosidades superficiales usando
datos de anemómetros sónicos• Proponer
Viento• Mecánica de fluidos: ecuaciones de Navier-Stokes
• Más ec. de continuidad
• Velocidad (3), presión, 4 ecs. 4 incógnitas• Más ec. de energía y ecs. de estado (Pv=RT) para
transf. de calor y densidad variable
Fuerza ficticia
Fuerza ficticia
•Aceleración del marco de referencia móvil•Aceleración c/resp al marco de referencia móvil•Término que depende de la velocidad y aceleración de los vectores unitarios
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