Revista carrera de Ingeniería Eléctrica
PRACTICA DE LABORATORIO # 2
ENERGÍA EÓLICA
LABORATORY PRACTICE # 2
WIND POWER
Freire Armando 1 Toapanta Wilson 2 Toapanta Luis 3
Recibido * de mayo de 2019, aceptado * de mayo de 2019
Received: May *, 2019 Accepted: May *, 2019
RESUMEN
En el presente trabajo, presenta la práctica realizada de la lectura y medición de los parámetros eléctricos del sistema eólico. La energía eólica es una fuente de energía renovable que utiliza la fuerza del viento para generar electricidad. El principal medio para obtenerla son los aerogeneradores,
“molinos de viento” de tamaño variable que transforman con sus aspas la energía cinética del viento en energía mecánica. La energía del viento puede obtenerse instalando los aerogeneradores tanto en suelo firme como en el suelo marino. La energía eólica es la energía que se obtiene del viento. Se trata de un tipo de energía cinética producida por el efecto de las corrientes de aire. Esta energía la podemos convertir en electricidad a través de un generador eléctrico. Es una energía renovable, limpia, que no contamina y que ayuda a reemplazar la energía producida a través de los combustibles fósiles. El mayor productor de energía eólica del mundo es Estados Unidos, seguido de Alemania, China, India y España.
En América Latina el mayor productor es Brasil. En España, la energía eólica abasteció de electricidad al equivalente a 12 millones de hogares, esto es un 18% de las necesidades del país. La energía eólica se obtiene al convertir el movimiento de las palas de un aerogenerador en energía eléctrica. Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el viento, sus predecesores son los molinos de viento.
Palabras clave: Energía, eólica, aerogeneradores, viento, corrientes de aire.
ABSTRACT
In the present work, he presents the practice of reading and measuring the electrical parameters of the wind system. Wind energy is a source of renewable energy that uses the force of the wind to generate electricity. The main means to obtain it are wind turbines, "windmills" of variable size that transform with their blades the kinetic energy of wind into mechanical energy. Wind energy can be obtained by installing wind turbines on both the ground and the sea floor. Wind energy is the energy that is obtained from the wind. It is a type of kinetic energy produced by the effect of air currents. We can convert this energy into electricity through an electric generator. It is a renewable, clean, non-polluting energy that helps replace the energy produced through fossil fuels. The largest producer of wind energy in the world is the United States, followed by Germany, China, India and Spain. In Latin America, the largest producer is Brazil. In Spain, wind energy supplied electricity to the equivalent of 12 million homes, this is 18% of the country's needs. Wind energy is obtained by converting the movement of the blades of a wind turbine to electrical energy. A wind turbine is an electric generator driven by a turbine driven by the wind, its predecessors are windmills.
Keywords: Energy, wind, wind turbines, wind, air currents
1 Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Universidad Técnica de Cotopaxi. Latacunga. Ecuador. E-mail: armando. freire2833@utc.edu.ec
2 Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Universidad Técnica de Cotopaxi. Latacunga. Ecuador. E-mail:
Wilson.topanta8579@utc.edu.ec
3 Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Universidad Técnica de Cotopaxi. Latacunga. Ecuador. E-mail: miguel11celtic@gmail.com
Revista carrera de Ingeniería Eléctrica
I.
INTRODUCCIÓN
Desde los inicios de la civilización, la humanidad ha venido utilizando la energía eólica para producir potencia mecánica, anteriormente lo hacían activando un sistema de propulsión de acción como lo es la vela y hace dos milenios lo hacían activando turbinas de acción como lo son los molinos de vientos. La vela como sistema propulsivo de embarcaciones y el molino de viento como motor industrial se desarrollaron sobre bases netamente empíricas y se perfeccionaron en numerosas variantes, pero se dejaron de utilizar para la mayoría de las aplicaciones productivas cuando el desarrollo de las máquinas térmicas permitió al hombre aprovechar las grandes reservas de energía química almacenada en los combustibles fósiles, convirtiéndolo a fuerza motriz y energía eléctrica, el problema empezó cuando se descubre que estas fuentes de energía se encuentra en una cantidad limitada y una vez se consuma en su totalidad, no se puede sustituir, ya que no existe una forma de producción o una extracción viable.
La energía eólica hace referencia a aquellas tecnologías y aplicaciones en que se aprovecha la energía cinética del viento, convirtiéndola a energía eléctrica o mecánica.
Se pueden distinguir dos tipos de aplicaciones: las instalaciones para la producción de electricidad y las instalaciones de bombeo de agua. Entre las instalaciones de producción de electricidad se pueden distinguir instalaciones aisladas, no conectadas a la red eléctrica e instalaciones conectadas, normalmente, denominadas parques eólicos. Las instalaciones no conectadas a la red, normalmente cubren aplicaciones de pequeña potencia, principalmente de electrificación rural.
Las aplicaciones conectadas a la red eléctrica, por otra parte, son las que permiten obtener un aprovechamiento energético mayor, son además las que presentan las mejores expectativas de crecimiento de mercado.
I.
OBJETIVOS
A.
Objetivo General
Realizar lecturas y mediciones de los parámetros eléctricos del sistema eólico, mediante la realización de la práctica en el laboratorio de energías alternativas, con la finalidad de medir la velocidad y orientación del viento.
B.
Objetivos Específicos
ο·
Realizar las mediciones de velocidad del viento y orientación a través de un anemómetro.
ο·
Conocer si un sitio es bueno, regular o malo para la instalación de sistemas eólicos para la producción de energía.
ο·
Determinar la potencialidad del viento en un sitio o región, y de esta manera evaluar la calidad de la velocidad del viento.
II.
ANÁLISIS TEÓRICO
La energía contenida en el viento puede ser transformada, según sea la necesidad, en energía eléctrica, mecánica o térmica. Las posibilidades de uso que ofrece la energía eléctrica son bien conocidas. En términos generales no se requieren grandes velocidades de viento para producir energía, más bien al contrario, cuando el viento es demasiado intenso se hace necesario detener los equipos para evitar deterioro. En la mayoría de los casos, un equipo comienza a generar energía con una velocidad del viento de 4 metros por segundo
(m/s), equivalente a unos 15 km/h. Entrega su potencia máxima cuando la velocidad es del orden de los 12 a 15m/s (40 a 55 km/h) y es necesario sacarla de servicio cuando alcanza 25m/s
(90km/h).
Figura 1:
Energía solar directamente hacia los paneles fotovoltaicos.
Fuente: E. Renovables, Energía Eólica, 2008.
1.
Máquinas Eólicas
Existen dos tipos principales de máquinas que aprovechan la energía contenida en el viento: los molinos, que se utilizan fundamentalmente para
Figura 2: Molino multipalas.
Fuente: E. Renovables, Energía Eólica, 2008.
3.
Aerogeneradores
Estos equipos están especialmente diseñados para producir electricidad. En la actualidad se fabrican máquinas comerciales de muy variados tamaños, desde muy bajas potencias (100 a 150 W) hasta 700 y 800 KW. y ya están superando la etapa experimental modelos de hasta 1.500 KW. de potencia.
Freire A., Toapanta W., Toapanta L. Mercado Energías Alternativas bombeo mecánico de agua, y los aerogenedores de electricidad.
2.
Molinos
Es muy común en el campo la utilización para extraer agua del subsuelo. El equipo utilizado se denomina molino multipala debido a estar compuesto por un número elevado (12 a 16) de palas. La razón de este sistema radica en que con muy baja velocidad de viento (apenas una brisa) está en condiciones de trabajar. Al girar acciona mecánicamente una bomba que extrae el agua necesaria. considerándose como normal el orden de 60 a 70 revoluciones por minuto. Teniendo en cuenta que los generadores normalmente trabajan a unas 1.500 r.p.m., para adecuar las distintas velocidades de trabajo de estos dos elementos se intercala una caja multiplicadora.
4.
El aprovechamiento de la energía eólica
El uso de toda fuente energética presenta tanto ventajas como desventajas, por lo que es importante, antes de emprender una utilización, efectuar un balance entre los pro y los contra de una u otra posible a utilizar. La energía eólica, por supuesto, no puede escapar a esta premisa
Como principales ventajas se pueden mencionar:
- Es inagotable.
- No es contaminante.
- Es de libre acceso (gratuita).
- Se puede aprovechar en la medida de las necesidades del momento.
En cambio, las mayores desventajas indican:
Se encuentra dispersa.
Es intermitente y aleatoria (no continua)
B.
El viento
El viento se define como el desplaza de las masas de aire y esta causando por las diferencias de presión atmosférica y por la fuerza Coriolis derivada del giro de la tierra sobre su eje.
Las diferencias de presión atmosférica son debidas a la variación de temperatura del aire causadas por el desigual calentamient5o de la tierra. El movimiento que describen las masas depende de su temperatura, así las masas calientes tienden a subir y en su lugar se ubican las masas de aire más densas y frías que tienden a bajar.
Figura 3: Aerogenerador y sus partes
Fuente: E. Renovables, Energía Eólica, 2008.
Sintéticamente un aerogenerador está conformado por dos elementos principales: un rotor compuesto por un eje y la o las palas que es accionado por el viento, y un generador que se mueve por arrastre del rotor. Los rotores de los aerogeneradores de potencia mediana en adelante (más de 20 Kw.) no desarrollan gran número de revoluciones,
3
Figura 4: Variación del viento
Fuente: T. y. C. Ministerio de Industria, Energía Eólica, 2006
1.
Medida del viento
Para conocer el recurso eólico en un emplazamiento, se toman medidas de 2
Freire A., Toapanta W., Toapanta L. Mercado Energías Alternativas variaciones, la velocidad del viento y su dirección por su procedencia.
En meteorología se suele trabajar con datos de velocidad del viento horaria a alturas de 10 m sobre el suelo. Así se tiene para cada hora del año un valor medio de la velocidad del viento.
2.
Aparatos de medida
El aparato utilizado en la medición de la velocidad del viento es el anemómetro, del cual existen infinidad de modelos y variantes, en función de características especiales a medir. El tipo mas empleado es el de rotación, también denominado de cazoleta o de Papillon-Robinson, el cual mide la velocidad de giro de tres cazoletas a 120° cada una.
Como la masa de aire que atraviesa el área A en un tiempo t es m = ρ A d, y d = Vt (donde V es la velocidad del viento), tenemos que:
Potencia = ½(ρAd) π 2
/t = =½ρA π 2 (d/t) = ½ρA π 3
Potencia eólica = ½ρA π½ π
1.
Potencia de una turbina: coeficiente de potencia Cp.
La fracción de la energía del viento que una turbina convierte en la práctica en energía mecánica de rotación se llama “coeficiente de potencia” (CP) de esa turbina. Así:
Potencia de una turbina = CP * Potencia del viento
= C P ½ ρA π 3
Figura 5:
Anemómetro aparato de medición
Fuente:
T. y. C. Ministerio de Industria, Energía Eólica, 2006
C.
Potencia eólica
La potencia del viento nos da un primer límite para la potencia de un aerogenerador. Para calcularla, evaluamos la energía cinética (EK) de la masa de aire (m) que atraviesa, por unidad de tiempo, la sección barrida por las palas (A).
Potencia = Trabajo/ t = EK / t = ½mV2 / t
Esquema del cilindro de aire que atraviesa el rotor en un tiempo t (disco violeta en el dibujo de la izquierda). El volumen es Vol = A*d: de Proyectos e Instalaciones, 2017.
Figura 6: Esquema del cilindro de aire que atraviesa el rotor.
Fuente:
S. C. Pardillos, Manual de Energía Eólica Desarrollo
Figura 7: Potencia de la turbina en relación con la V1 a V2.
Fuente: S. C. Pardillos, Manual de Energía Eólica Desarrollo de Proyectos e Instalaciones, 2017.
Nótese que una turbina nunca puede extraer toda la energía cinética del viento, puesto que el aire no se para al atravesar la turbina (es decir, CP < 1). Su velocidad disminuye de v1 a v 2, como muestra la figura. Por conservación de la masa, si la velocidad disminuye, la sección del tubo de corriente considerado aumenta.
2.
Límite de Betz
La teoría de Cantidad de Movimiento supuso una primera aproximación sencilla al problema de un rotor inmerso en una corriente de aire y proporciona una información muy útil para comprender el fenómeno de la energía que lleva el viento que pasa a través de la superficie barrida por las palas de un aerogenerador.
En el aerogenerador se transforma energía cinética del viento (velocidad del viento) en energía mecánica (rotación de las palas), de tal forma que el viento sale con menos velocidad tras pasar a través del área barrida por las palas.
4
Freire A., Toapanta W., Toapanta L. Mercado Energías Alternativas
Tabla3.
Clasificación de las zonas geográficas en función de la característica del viento, según
Mapa Eólico.
Figura 8: Limite de Betz.
Fuente:
S. C. Pardillos, Manual de Energía Eólica Desarrollo de Proyectos e Instalaciones, 2017.
En la tabla 1 se muestra cómo el Atlas de Recursos
Energéticos de Estados Unidos denomina las clases en que se pueden clasificar las zonas geográficas, en función de las características del viento. Por su parte, la clasificación empleada en el
Mapa Eólico de Europa, elaborado por el
Laboratorio Nacional Risoe de Dinamarca, a 10 y
50 m sobre el nivel del mar, se expone en la tabla
2.
Tabla 1.
función de las características del viento, según el
Atlas de Recursos Energéticos de Estados Unidos
Tabla 2.
III.
ANALISIS
EXPERIMENTAL
Clasificación de las zonas geográficas en
Clasificación de las zonas geográficas en función de las características del viento, según el
Mapa Eólico de Europa
La clasificación empleada en el Mapa Eólico de una isla a 50 m sobre el nivel del mar se expone en la tabla 3.
5
1.
En una zona determinada, la densidad de potencia media anual es de 75
W/m2. Determinar la densidad de energía disponible en el año. a) 1año =8760 h
π·πΈ = 75 ∗ (
8760
1000
) = 657.0 πΎπβ/πñπ
Esto expresa que si pudiéramos aprovechar completamente la energía que aporta el viento, obtendríamos 657,0 kWh anuales por cada metro cuadrado de superficie de captación del sistema eólico empleado.
2.
Se conoce que la estimación de la energía producida por un aerogenerador como la calculada en el ejercicio 1 es mucho menor, llegándose a un máximo de 59,3% (límite de Betz).
Determinar la energía disponible si el coeficiente de aprovechamiento del viento es de 30 % en el generador.
De esa energía disponible, esto es 30%,
131 a 263 kWh anuales por metro cuadrado del área.
3.
El área de barrido de un aerogenerador es de 2125 m2 (52 m de diámetro de rotor); Determinar la energía que pudiera extraerse anualmente del aerogenerador si se conoce que la densidad de energía aprovechada del aerogenerador es de 2
435 kWh/m2 anuales.
πΈ ππ₯π‘π
= 2435πΎπβ/π 2 ∗ 2125π
πΈ
πΈ ππ₯π‘π ππ₯π‘π
= 5174375πΎπβ
= 5.17πΊπβ πππ’ππππ
2
Freire A., Toapanta W., Toapanta L. Mercado Energías Alternativas
4.
En la tabla 3 se muestran datos de velocidades del viento y la densidad de potencia anual con la clasificación de los vientos en diferentes zonas geográficas.
A.
Determinar la densidad de energía disponible anualmente para las diferentes clases de viento.
Muy pobre
1 ππ
πΈ = 300π π₯ 8760β π₯
1000 π
= 2628ππβ
Pobre
1 ππ
πΈ = 350π π₯ 8760β π₯
1000 π
= 3066ππβ
Marginal
1 ππ
πΈ = 450π π₯ 8760β π₯
1000 π
= 3942ππβ
Moderado
1 ππ
πΈ = 550π π₯ 8760β π₯
1000 π
= 4818ππβ
Bueno
1 ππ
πΈ = 700π π₯ 8760β π₯
1000 π
= 6132ππβ
Excelente
1 ππ
πΈ = 900π π₯ 8760β π₯
1000 π
= 7884ππβ
Excepcional
1 ππ
πΈ = 1000π π₯ 8760β π₯
1000 π
= 8760ππβ
5.
Dada la curva de producción del generador de la figura 3. a) Determinar la densidad de potencia en el emplazamiento a la velocidad de 10 π π si la densidad del aire en el lugar es de
1.25 ππ
⁄ π 3
.
La densidad de potencia o potencia específica se define como la potencia por unidad de área, es decir
π π£ππππ‘π
π
:
π π£ππππ‘π
π
π π£ππππ‘π
π
=
1
2
πΏ π 3
=
1
2
∗ (1.25 ππ
⁄ π 3
)
⁄ ) 3
π π£ππππ‘π
π
= 625 π€ π
2 b) Hallar la eficiencia con la que trabaja el aerogenerador.
Primero tenemos que calcular la potencia del viento, teniendo en cuenta que el radio de las palas es de 7m:
π π£ππππ‘π
π π£ππππ‘π
=
1
2
=
1
2
πΏ π π 3
∗ (1.25 ππ
⁄ π 3
) ∗ (π
∗ 7π 2 ⁄ ) 3
π
π π£ππππ‘π π£ππππ‘π
= 96211275 π
= 96.211275 ππ
Después calculamos la potencia eléctrica:
π πππππ‘ππππ
π πππππ‘ππππ
= π
= 96.211275 ππ ∗ 0.3
π πππππ‘ππππ π£ππππ‘π
∗ πΆπππππππππ‘π
= 28.863383 ππ
La eficiencia con la que trabaja el aerogenerador es del 30 %.
IV.
TAREA EXPERIMENTAL
1.
Utilizar el anemómetro para realizar las mediciones de velocidad de viento en 5 puntos de diferencias alturas cercanas a las instalaciones de la Universidad
Técnica de Cotopaxi. Anexo 1
Tablas de mediciones
Altura
3610 msnm
Velocidad 1
(m/s)
2,806
Velocidad 2
(m/s)
2,583
Velocidad 3
(m/s)
3,056
3614 msnm
3620 msnm
3624 msnm
3630 msnm
3,611
4,944
5,778
8,167
4,194
4,528
5,083
8,417
3,944
5,389
6,167
8,444
6
Freire A., Toapanta W., Toapanta L. Mercado Energías Alternativas
Con los datos obtenidos determinar. a) Clasificación cualitativa de los vientos según el ejemplo mostrado en la tabla
2. Anexo 2.
Clase según
Risou
Velocidad
1 (m/s)
Velocidad 2
(m/s)
Velocidad
3 (m/s)
Clasificació n
Cualitativa
1 2,806 2,583 3,056 Muy pobre
3
4
1
2
3,611
4,944
5,778
8,167
4,194
4,528
5,083
8,417
3,944
5,389
6,167
8,444
Muy pobre
Pobre
Marginal
Excelente b) Determinar la Potencia disponible en los puntos de medición para cada uno de los valores de velocidad de viento obtenidos.
A continuación, se detalla el cálculo de la densidad de potencia para los primeros datos, de forma similar se lo realiza para
Velocid ad 1
(m/s) los datos que sigue:
π
π΄
=
1
2
π
π΄
π₯ 1,25 π
1
=
2 ππ
3 ππ 3
π₯ (2,806
π = 13,802 π π π
)
3
Velocid ad 2
(m/s)
Velocid ad 3
(m/s)
Potencia
Disponibl e 1 (W)
Potencia disponible
2 (W)
Potencia disponibl e 3 (W)
2,806 2,583 3,056 13,802 10,775 17,830
3,611 4,194 3,944 29,431 46,121 38,356
4,944 4,528 5,389 75,550 58,014 97,809
5,778 5,083 6,167 120,549 82,097 146,565
8,167 8,417 8,444 340,420 372,649 376,351 c) Determinar la densidad de energía disponible anual para el punto de mayor valor de velocidad encontrada.
La densidad de energía se obtiene al multiplicar la densidad de potencia por el tiempo por ejemplo para un año. Anexo 4
πΈ = (
π
π΄
) π₯ 8760β π₯
1 ππ
1000π
1 ππ
πΈ = 376,35π π₯ 8760β π₯
1000 π
πΈπ΄π = 3296,84 ππβ
Potencia disponibl e 1 (W)
13,80
29,43
75,55
120,55
340,42 d)
Potencia disponibl e 2 (W)
10,78
Potencia disponibl e 3 (W)
17,83
46,12
58,01
82,10
372,65
38,36
97,81
146,57
376,35
Enegía
Disp. 1 kWh
120,90
257,81
661,82
1056,01
2982,08
Enegía
Disp. 2 kWh
94,39
404,02
508,21
Enegía
Disp. 3 kWh
156,19
336,00
856,80
719,17 1283,91
3264,41 3296,84
El punto en donde se obtuvo el dato con la mayor velocidad de viento es a 3630 msnm con 8,444 m/s resultando con una densidad de potencia 376,35π de y una densidad de energía de 3296,84 ππβ , en la siguiente tabla se detallan lo valores calculados para los demás datos.
Calcular la velocidad del viento a una altura de 50 m en el punto donde se encontró en menor valor de las mediciones de 0,3. de velocidad, si el coeficiente de rugosidad del terreno es
Velocidad de menor valor es de 2.69 m/s
∝ π£
50
= π£
10
( β β
50
10
)
0.3
π£
50
= 2.806 π/π (
50 π π£
50
2 π
= 7,37 π/π
)
V.
CONCLUSIONES
Se puede evidenciar que la velocidad del viento es proporcional a la altura de medición, la ciudad de
Latacunga al encontrase sobre el callejón interandino obtiene parámetros favorables de vientos, en este caso de practica en la zona de la
Universidad Técnica de Cotopaxi van en un promedio de 5 m/s la velocidad del viento en esta zona, se puede evidenciar que mientras a mas altura nos encontremos tendremos mayor velocidad.
Para evaluar la calidad de la zona en donde evaluar las diferentes mediciones, van a depender del lugar o zona de toma de datos como la existencia de montañas y edificaciones, debido a que presentan perturbaciones y una baja calidad de estabilidad del
7
Freire A., Toapanta W., Toapanta L. Mercado Energías Alternativas viento, de esta manera podremos obtener la cantidad de potencia que se podría generar teóricamente y posteriormente se podría conocer si el sitio es bueno, regular o malo.
Debido a que la velocidad del viento cambia proporcionalmente a la altura donde se mide los diferentes parámetros, se puede medir la cantidad de potencia teórica que genera a diferentes velocidades como se puede evidenciar en las tablas de datos previamente realizados a diferentes alturas, de esta manera se puede evaluar la calidad del viento y sus respectivas potencias generadas.
VI.
RECOMENDACIONES
Para obtener valores diferentes que no sean equivalentes a los datos obtenidos en el anemómetro debemos variar a diferentes alturas o zonas en donde la velocidad del viento no tenga perturbaciones como montañas o edificaciones.
Si deseamos instalar un generador eólico y este se encuentre sobre una edificación, deberá ser instalado a un doble de altura de la misma debido a que existe perturbación al momento de choque del viento con la edificación.
Si la velocidad del viento es baja, y queremos instalar un sistema eólico, la recomendación para utilizar su mejor rendimiento serían las palas eólicas Savonius los cuales trabajan y generan energía con poca velocidad del viento.
VIII.
ANEXOS
Anexo1.- toma de medidas de la velocidad
Anexo 2.humedad
Anexo 3.potencia.
Toma de mediad de la densidad de
Toma de medida de la temperatura y
VII.
BIBLIOGRAFIA
[1] E. Renovables, Energía Eólica, Argentina:
Secretaría de Energía, 2008.
[2] T. y. C. Ministerio de Industria, Energía
Eólica, Madrid: Instituto para la
Diversificación y Ahorro de la Energía,
2006.
[3] S. C. Pardillos, Manual de Energía Eólica
Desarrollo de Proyectos e Instalaciones,
España: Universidad Politécnica de Valencia,
2017.
[4] A. d. s. y. a. d. datos”, Energía Eólica,
España: Universidad Politécnica de Valencia,
2010.
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