EVALUACIÓN DEL RECURSOS ENERGÉTICO EN TRNSYS · principalmente en los campos de la ingeniería de...

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Dr. Jesús Cerezo Román

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN INGENIERIA Y CIENCIAS APLICADAS

UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL ESTADO DE MORELOS

Cuernavaca, Morelos a 25 de septiembre de 2018

EVALUACIÓN DEL RECURSOS ENERGÉTICO EN

TRNSYS

BAJAR ARCHIVO DE INSTALACION DE LA VERSION DEMO

2

http://www.trnsys.com/demo/

Restricciones:

Máximo 5 Types

64 bits (no muy especifico)

3

CONTENIDO

1. GENERALIDADES DE LA ENERGÍA EÓLICA

1.1 Generación y medición del viento

1.2 Funcionamiento de un aerogenerador

2. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE TRNSYS

3. SIMULACIÓN DE UN AEROGENERADOR DE 600 kW

3.1 Descripción y conexión del módulo de datos meteorológicos

Meteorológicos graficador análisis

3.2 Especificaciones del módulo aerogenerador. Análisis de los resultados.

4. Ejemplos

5. Simulación de un colector solar con almacenamiento térmico.- Descripción, conexión y especificaciones:

Meteorológicos colector solar análisis

Meteorológicos colector solar tanque de almacenamiento

1. GENERALIDADES DE ENERGÍA EÓLICA

• La Tierra recibe una gran cantidad de energía

procedente del Sol que en lugares favorables puede

llegar a ser del orden de 2000 kW/m2 anuales; el 2% de

ella se transforma en energía eólica.

• El movimiento del aire es originado por el diferente

calentamiento de la superficie de la tierra, donde el flujo

de aire se dirige de la zona mas alta a la mas baja de

presión.

• La energía eólica tiene como ventajas de ser inagotable,

gratuita y no lesiva al medio ambiente, pero tiene el

inconvenientes de ser dispersa y aleatoria.

NATURALEZA DEL VIENTO

a) La radiación solar que es más importante en el

Ecuador que en los Polos.

b) La rotación de la Tierra que provoca desviaciones hacia

la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en

el Hemisferio Sur

c) Las perturbaciones atmosféricas.

CAUSAS PRINCIPALES DEL ORIGEN

DEL VIENTO

a) La radiación solar

En el hemisferio norte el viento tiende a girar en el sentido

contrario al de las agujas del reloj (visto desde arriba) cuando

se acerca a un área de bajas presiones. En el hemisferio sur el

viento gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de

áreas de bajas presiones.

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b) La rotación de la Tierra

EFECTO CORIOLIS

VIENTOS

VIENTO LOCAL: Este tipo de vientos se originan por

diferencias de calentamiento sobre la superficie.

TIPOS DE VIENTOS

• LOCALES

• OROGRÁFICOS

c) Las perturbaciones atmosféricas

Vientos LocalesBrisa Marina

Es originada por la desigualdad calorifica del mar y de la tierra

c) Las perturbaciones atmosféricas

VIENTOS OROGRÁFICOS

Este tipo de vientos son originados por efecto del

relieve. Cuando el viento choca con un obstáculo,

se ve obligado a subir sobre este.

El fenómeno de ascensión del viento da origen a

ciertas condiciones particulares, debido a las

variaciones de las características meteorológicas,

encontradas en diferentes lugares de la Tierra,

dando origen a ciertos fenómenos especiales.

EVALUACIÓN DEL RECURSO EÓLICO PARA

AEROGENERADORES

El viento viene definido por dos parámetros esenciales que son: su

dirección y su velocidad.

Los meteorólogos crearon una gráfica llamada Rosa de los vientos que

nos permite representar simultáneamente la relación que existe entre las

características que componen el viento y su valoración a lo largo del

tiempo.

ROSA DE VIENTOS

• La veleta que indica la dirección del viento debe ser orientada así

que su posición del punto muerto y no estar dirigida hacia el viento

predominante. Es práctica común que el punto muerto de la veleta

coincida con el norte geográfico y se marque como 0°.

VELETA

El aparato utilizado para medir la velocidad del viento es llamado

anemómetro. Los fenómenos que dependen de la velocidad del viento se

utilizan para medirla, existen tres técnicas diferentes para hacerlo las cuales

utilizan tres parámetros para medir la velocidad en forma directa: el empuje,

la presión y el efecto de enfriamiento.

SISTEMAS DE MEDICIONES Y EVALUACIÓN DEL

RECURSO EÓLICO

Ultrasonido

CONFIGURACION DE ESTACIÓN

METEREOLÓGI CA

La toma de datos son:

1. velocidad y dirección

del viento,

2. Temperatura,

3. Presión barométrica,

4. Humedad relativa

5. Precipitación

6. Radiación Solar

CONFIGURACION DE ESTACION

METEREOLOGI CA

La toma de lectura del viento debe hacerse como

mínimo a 3 diferentes alturas:

• 40 m (altura del rotor),

• 25 m (altura de la punta inferior de la pala) y a

• 10 m (altura estándar meteorológica)

Se deben de tomar al menos durante un año,

para seleccionar correctamente la zona del

terreno mas idónea

MAPA DE POTENCIA EN MÉXICO

GENERACIÓN EÓLICA MUNDIAL

GENERACIÓN EÓLICA POR PAÍSES

tvAE 3

2

1

2

2

1vmEc

AxVm

tvx

---------- (1)

tAvm Ec= Energía cinética

m = Masa del aire

v = Velocidad del aire

Energía del Viento

ENERGÍA CINÉTICA

La masa es:

---------- (3)

= Densidad del aire

V = Volumen de aire

A = Área transversal

Si:

Sustituyendo en (2) se tiene:

Finalmente sustituyendo (3) en (1) se tiene:

t = Tiempo

---------- (2)

2da LEY DE NEWTON O LEY DE LA

FUERZA

F = m a

3

CURVA DE POTENCIA DEL VIENTO

Potencia del Viento

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

0 10 20 30 40 50 60

Velocidad (m/s)

Po

ten

cia

(W

/m2

)

0

0

ln

ln

z

z

z

z

zVzVr

ree

Ve(zr) = Velocidad estacionaria medida a

la altura z (altura de referencia)

Ve(z) = Velocidad estacionaria estimada

a la altura z

z0 = Rugosidad del terreno

RUGOSIDAD DE LA SUPERFICIE

ESTIMACIÓN PARA EL CALCULO DE LA

VELOCIDAD A CIERTA ALTITUD

VALORES DE RUGOSIDAD

Tipo de Terreno Z0 (mm)

Muy suave; hielo o lodo 0.01

Mar abierto en calma 0.20

Mar picado 0.50

Superficie de nieve 3.00

Césped 8.00

Pasto quebrado 10.00

Campo preparado para cultivo 30.00

Cultivo 50.00

Pocos árboles 100.00

Varios árboles, hileras de árboles,

pocas construcciones

250.00

Bosques, tierras cubiertas con

árboles

500.00

Suburbios 1500.00

Centros de ciudades con edificios

altos

3000.00

Desarrollo de aerogeneradores para interconexión a red

850 kW

48 metros de diámetro

Aerogenerador moderno horizontales

3 MW

90 metros de diámetro

AEROGENERADORES VERTICALES

Sabonius

AEROGENERADORES EN DESARROLLO

Celdas fotovoltaicas

1.- Rotor

2.- Góndola

3.- Torre

4.- Cimiento

Componentes de un aerogenerador moderno

2.1 COMPONENTES Y PRINCIPIOS DE OPERACIÓN

Transmisión Generador

Cubo

Tolva protectora

Motor de orientación

Flecha principalChasis principal

Torre

Freno de disco

Aspas

COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR DE

GRAN CAPACIDAD

FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE UN ELEMENTO DE

LA PALA

FUERZA DE SUSTENTACIÓN Y ARRASTRE

Coeficiente de arrastre: CD

Genera una fuerza en ladirección opuesta al giro delrotor que se opone almovimiento

PROPIEDADES DEL PERFIL

Coeficiente de levantamiento: CL

Genera una fuerza en ladirección del giro del rotor yproporciona trabajo útil.

CL y CD son calculados

experimentalmente

Porcentaje de aportación de potencia

Tip speed ratio

ROTOR AERODINÁMICO

Material Densidad (kg/m3) Costo (USD/kg)

Acero 7,800 5.5 - 8

Madera laminada - resina

epóxica

550 10 - 15

Fibra de vidrio - resina de

poliéster

1,800 10 - 15

Fibra de vidrio - resina epóxica 2,000 12 - 18

Fibra de carbón - resina epóxica 1,500 20 - 100

Materiales utilizados para la construcción de aspas

Cubo del rotor

Góndola ensamblada en torre

• Tren de potencia

• Generador eléctrico

• Subsistema de orientación

• Subsistema de regulación de

potencia

• Subsistema de seguridad

• Chasis principal

Subsistemas principales

Elementos de protección contra rayos

Pv = Potencia del viento

Pr = Potencia a la salida del rotor

Pm = Potencia mecánica

Pe = Potencia eléctrica

Gmpt vC

vC p m GePvP mPrP

t = Eficiencia de conversión

Cp(v) = Coeficiente de potencia del

rotor

m = Eficiencia de la transmisión

G = Eficiencia del generador

Eficiencia de conversión de un SCEE

Velocidad

nominal

Velocidad

de salidaVelocidad

de inicio

Velocidad de

supervivencia

CURVA DE POTENCIA

AEROGENERADOR de 850 kW

P o

t e

n c

i a

(

K w

)

3

TRaNsient System Simulation Program

TRNSYS es un paquete de software comercial desarrollado en la

Universidad de Wisconsin. Uno de sus usos originales fue realizar la

simulación dinámica del comportamiento de un sistema de agua

caliente solar para un año típico meteorológicos a fin de que se pueda

comprobar los ahorros de costes a largo plazo de estos sistemas.

4

2. TRaNsient System Simulation Program

TRNSYS es un programa de simulación utilizado

principalmente en los campos de la ingeniería de las

energías renovables y la simulación de sistemas solares

pasivos, así como el diseño solar activo.

Permite diseñar y optimizar sistemas energéticos

(principalmente en energías renovables) y edificios de bajo

consumo de energía (Consumo neto cero de energía).

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TRNSYS se compone de dos partes:

1. La primera parte de TRNSYS es una amplia biblioteca de

componentes incluye aproximadamente 150 modelos:

Bombas, edificios multizona, turbinas de viento,

electrolizadores, procesadores de datos meteorológicos, rutinas

de economía o equipos básicos de climatización con las nuevas

tecnologías emergentes.

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TRNSYS se compone de dos partes:

1. La segunda es un motor (llamado kernel) que lee y procesa el archivo de

entrada, de manera iterativa resuelve el sistema, determina la convergencia, y

visualiza las variables del sistema.

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TIPOS DE TYPES

Type de

entrada

Type de

proceso

Type de

salida

8


9


10

PERFILES METEREOLOGICOS EN TRNSYS

OBJETIVO:

• FORMA DE CONEXIÓN DE LOS DIFERENTES MODULOS (TYPES)

EN TRNSYS

• ANALIZAR LOS PERFILES DE TEMPERATURA, RADIACIÓN,

VELOCIDAD DE VIENTO EN UN DIA, UNA SEMANA Y ANUAL

• CUANTIFICACIÓN DE LA ENERGIA MENSUAL Y ANUAL

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PERFILES METEREOLÓGICOS EN TRNSYS

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CUANTIFICIÓN DE LA RADIACIÓN

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INTEGRACIÓN DIARIA

Printer/unformated/ No units

Utility/integrators/quantity

integrator

14

INTEGRACIÓN TOTAL

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SIMULACIÓN DE UN AEROGENERADOR

Objetivo:

Analisis de los resultados

Potencia anual

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Rated power: 600.0 kW

Cut-in wind speed: 2.5 m/s

Rated wind speed: 12.0 m/s

Cut-out wind speed: 28.0 m/s

Diameter: 43.7 m

Swept area: 1.521,0 m²

Number of blades: 3

Rotor speed, max: 34.0 U/min

Tipspeed: 77.8 m/s

Type: AERO E-40

Material: GFK

Rotor

Potencia

Manufacturer: Enercon GmbH

Country: Germany

Enercon E40 600/46

Glass-Fiber

Reinforced Plastic

Hub height: 50/58/65/78 m

Type: Steel tube

Shape: conical

Corrosion protection: painted

Manufacturer: SAM

Torre

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Rotor

Type: synchronous

Number: 1.0

Speed, max: 34.0 U/min

Voltage: 440.0 V

Grid frequency: 50.0 Hz

Hersteller: Enercon

GeneradorPeso

Rotor: 8.7 t

Nacelle: 20.5 t

Tower, max: 99.0 t

http://en.wind-turbine-models.com/turbines/68-enercon-e-40-6.44

Enercon E40 600/46

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CURVA DE POTENCIAVelocidad

(m/s)

Potencia

(kW)

0 0

1 0

2 0

3 1.7

4 14.7

5 41.4

6 79.6

7 135.8

8 207.5

9 295.4

10 405.2

11 508.1

12 571.4

13 600

14 600

15 600

16 600

17 600

18 600

19 600

20 600

21 600

22 600

23 600

24 600

25 600

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 5 10 15 20 25 30

Pote

nci

a,

kW

Velocidad del viento, m/s

Enercon E40 600/46

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GRAFICO EN TRNSYS

20

CONTROL

a. Control de Punta de Pala (Stall Control) Tomaventajas al reducir sustentación aerodinámica paraaltos valores de ángulos de ataque reduciendo eltorque a altas velocidades. Los alabes en máquinascontroladas por punta de pala están sujetasrígidamente al resto del buje, resultando en una simpleconexión.

b. Control de la totalidad de la pala (Pitch Control)Los alabes pueden ser rotados a lo largo del eje axialcambiando de esta manera el ángulo de abatimiento.

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ARCHIVO DE LECTURA

WECS_Typ Enercon E40 600/46 ! Wind Turbine type --

WECS_REF www.enercon.de ! Data source

Len_Unit m ! Length unit, must be m (do NOT edit)

Spd_Unit m/s ! Speed unit, must be m/s (do NOT edit)

Pwr_Unit kW ! Power unit, must be m (do NOT edit)

Ctl_mode S ! Control mode: S=stall; P=pitch; V=variable speed

Rotor_Ht 46.00 ! Rotor center height, meters

Rotor_Di 43.7 ! Rotor diameter, meters

Sensr_Ht 46.00 ! Sensor Height for data pairs given here below, meters (often rotor center height)

Sher_Exp 0.16 ! Power-law exponent for vertical wind profile

Turb_Int 0.10 ! Turbulence intensity valid for this curve

Air_Dens 1.225 ! Power curve air density, kg/m3

Pwr_Ratd 605.00 ! Rated power of the turbine, kW

Spd_Ratd 13.50 !Rated wind speed, m/s

Num_Pair 35 ! Number of (wind speed, power) data pairs in the file

0.50 0.00 ! First data pair (wind speed, power) - Free format - ALWAYS START AT 0.0 !!!

1.75 0.00 ! Second data pair - Free format

2.75 4.90

3.5 19.1 ! ...

! Use Maximum 100 data pairs !!!

! ...

http://www.enercon.de/

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AEROGENERADOR

Wind velocity increase with altitude and wind moving across the Earth's

surface is slowed down by obstructions like buildings, trees and similar.

This wind shear can be expressed as

v / vo = (h / ho)α

where

v = the velocity at height h (m/s)

vo = the velocity at height ho (m/s)

α= the wind shear exponent

The wind shear exponent varies with terrain.

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INTENSIDAD DE TURBULENCIA

turbulence is major factor in contributing to the fatigue of turbine components.

It contributes to errors in the preparation of powercurves. Higher turbulence causes power fluctuations,since pitch controlled blades may not be able to adjusttheir blade pitch sufficiently quickly to follow the rapidlyvarying wind speeds, which can result in potentiallyunstable power output events.

The time base for turbulence data is usually over an hour, withmeasurements stored at 1 Hz. A turbulence intensity of 10% isequivalent to a standard deviation of 1m/s in an hour with a meanvalue of 10 m/s.

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EJEMPLOS

3. c:\ program file(86) \ Trnsys16 \ Example \ Feed back control / SDHW

hr

flujo

(kg/h)

0 0

7 0

7 0.2

9 0.2

9 0

11 0

11 0.1

13 0.1

13 0

18 0

18 0.1

22 0.1

22 0

24 0

0, 07, 0

7, 0.2 9, 0.2

9, 0 11, 0

11, 0.1 13, 0.1

13, 0 18, 0

18, 0.1 22, 0.1

22, 0 24, 00

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

flu

jo m

asi

co (

kj/

h)

hr

1. c:\ program file(86) \ Trnsys16 \ Example \ Restaurant

2. c:\ program file(86) \ Trnsys16 \ Example \ Wind Diesel

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