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