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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICOCENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 1/60

28 Marzo 2008

ENERGÍA EÓLICAENERGÍA EÓLICAENERGÍA EÓLICAOscar A. Jaramillo Salgado

Coordinación de Concentración Solar

[email protected]


¿De dónde viene la energía eólica?Todas las fuentes de energía renovables provienen del Sol que irradia 174,423x109 kWh hacia la Tierra. Alrededor de 1 a 2 % de esta energía se convierte en energía eólica.

Imagen de rayos infrarrojos de la superficie del mar (tomada de un satélite de la NASA, NOAA-7, en julio de 1984).

Las diferencias de temperatura conllevan la circulación del aire de la atmósfera. Las regiones cercanas al ecuador son reciben mayor energía solar que el resto de las zonas del globo.


Nonequilibrium Thermodynamics for Solar Energy Applications, J.M. Gordon

Energía eólica (una máquina térmica solar)

Fuente de calor:

Radiación solar

Fluido de trabajo:

Atmósfera terrestre

Trabajo producido:

Viento

Sumidero de calor:

Universo 3K


Aplicando la primera ley de la termodinámica considerando un ciclo

⎪⎩

⎪⎨

⎧

≤<

≤≤=

00

2

01

2 ,

20 ,

)(tttT

ttTtT

( ) 0tt,0 ,3 ≤≤= KtText

( ) ( ) ( )( )( )∫ =−−+−=∆to

ext dttTtTtWE0

44s 0 q σ

( ) ( ) ( )( )tTtdt

dWtP 4sq σ−==

Así, la potencia instantánea es

( )( )

⎪⎩

⎪⎨

⎧

≤<

≤≤−=

00

0

s

2 ,0

20 ,4/1

qttt

ttIt

cs ρ


Por otro lado, considerando un proceso reversible, el cambio de entropía por unidad de área se expresa como

( ) ( )( ) 0 q

0

4s =⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ −=∆ ∫ dttT

tTtSto σ

La máxima potencia sujeta a la restricción entrópica, se obtiene al introducir el multiplicador de lagrange λ y al definir el Langrangiano modificado L de la forma,

( ) ( )( ) ( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −+= tTtTttTL 3s4 q σλ

Encontrando el máximo,

( ) ( ) ( ) 04

q4

3T 0 s4

5 =−−⇒=∂∂ tTt

tTL λσλ


Considerando el valor medio de la forma:

( )( )( ) 4/1Iq

2/

2/

CSs

21

21

ρ−=

+=

+=nnn TTT

TTT

( ) ( )( )( ) ( ) ( ) 2/4/1I

q 0 q

32

311CS

3s

0

4s

TTT

TT

dttT

tTtSto

+=−⇒

=⇒=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −=∆ ∫

σρ

σσ

y el cambio de entropía por unidad de área

Así, el máximo para las dos ramas del modelo se tiene,

( )4

252

cs4

15

1

3T08/1I3T0

TT

σλ

ρλσλ

−=

−−−=


La solución del sistema de ecuaciones

Y la potencia por unidad de área es entonces,

Comparación con datos medidos

.192T K;277T /W;Km105.4 21529 K==×=λ

( ) ( )

( ) ( ) 2448

42

41cs

W/m4.142

1922771067.54

35.011353

241I

≈+×−−=

−−−=

−

TTP σρ

90km)-75 de altitud una a(195T

Tierra) la de e(superficiK 290T15W/mP

2

1

2

K===

hasta los 88 km por encima del nivel del mar la composición de la atmósfera es sustancialmente la misma que al nivel del suelo


La fuerza de Coriolis

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.


¿Cómo afecta la fuerza de Coriolis a los vientos globales o geostróficos?

Latitud 90-60°N 60-30°N 30-0°N 0-30°S 30-60°S 60-90°S

Dirección NE SO NE SE NO SE


Vientos de superficie

Los vientos están influenciados por la superficie a altitudes de hasta 100 metros. El viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos.


Energía del viento

De la energía cinética.

La masa del aire contenida en un volumen V es: AxVm ρρ ==

221 mvEc =

y considerando que el aire se mueve con la velocidad v = xt

tAvEv3

21 ρ=

La energía que contiene el viento es


Máxima Extracción de Energía

Coeficiente de Betz

2211 vAvAJm ρρ ==

( ) ( )( )212122

2121 2

121 vvvvvvKK +−=−=−

( ) ( )2121 vvvA

FvvJF m −=⇒−=ρ

De la segunda ley de Newton, se desprende una relación para la velocidad v

De la energía cinética por unida de masa se tiene,

Considerando que la conservación de masa


( ) ( )( ) ( )21212121 21

21 vvvvvvvvvv +=⇒+−=−

( ) ( )avvavv 21 y 1 121 −=−=

De esta manera se obtiene que

La velocidad v2 y v son expresadas en términos de v1 mediante un parámetro a

2716

21

31

3112 3

1

231max ρAvρAvP =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

La potencia P se escribe como ( ) ( ) aaAvvvJP m23

122

21 12

21 −=−= ρ

y para obtener la máxima potencia ( )( ) 021310 3 =−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⇒= entρAvaa-

dadP

592.0

21 3

1

≤⇒= Cp Av

PCpρ

El límite superior de la extracción de potencia de una turbina de sección transversal A se llama Límite de Betz


Función de densidad de potencia: Potencia del viento


Historia del uso de la energía eólica

La historia de la energía eólica o de los vientos se remonta al año 3 500 a.C., cuando los sumerios armaron las primeras embarcaciones de vela. Después, los griegos construyeron máquinas que funcionaban con el viento.

La historia del molino de viento es confusa. Hay quienes afirman que el primero de estos molinos surgió en Seistán, Persia (hoy Irán), aunque parece que existen indicios anteriores de su existencia en la isla griega de Myconos.


Pioneros de la turbina eólica

Charles F. Brush (1849-1929)

Poul la Cour (1846-1908)


F.L. Smidth Johannes Juul y las turbinas Vester Egeborg

La turbina La turbina RiisagerRiisager

La máquina Tvind Bonus 30 kW


Diferentes configuraciones de aspas (palas) para los rotores.


INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

Medición de la velocidad del viento: anemómetros

Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmente usando un anemómetro de cazoletas. Este anemómetro tiene un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El número de revoluciones por segundo son registradas electrónicamente. Normalmente, el anemómetro está provisto de una veleta para detectar la dirección del viento.


Las velocidades del viento se ven afectadas por la fricción con la superficie terrestre.Rugosidad y cizallamiento del viento

La gráfica muestra como varía la velocidad del viento en una rugosidad de clase 2 (suelo agrícola con algunas casas y setos de protección a intervalos de unos 500 metros), considerando que el viento sopla a una velocidad de 10 m/s a 100 m de altura.


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4

V(z) / V(zr)

Altu

ra so

bre

el te

rren

o (m

)

Perfil idealizado sobre el terreno


0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

0

5

10

15

20

25R

apid

ez [m

s-1]

2001

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

altura 20 metros

Variabilidad de la velocidad del viento


Descripción de las variaciones del viento: distribución de Weibull

( )

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +Γ=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +Γ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +Γ−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +Γ

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

−

kcv

k

kkv

cv

cv

ckvp

kk

11

11

1121

exp

Weibulldeón Distribuci

2

1

σ


Mapas eólicos


Selección del emplazamiento de un aerogenerador


Efecto de la estela

Un aerogenerador siempre va a crear un abrigo en la dirección a favor del viento. De hecho, habrá una estela tras la turbina, es decir, una larga cola de viento bastante turbulenta si se compara con el viento que llega a la turbina.


Distribución del parque eoloeléctrico


Efecto túnel y efecto colinaEfecto túnel. El aire se comprime en la parte de la montaña que está expuesta al viento, y su velocidad crece entre los obstáculos del viento.

Efecto colina. El viento es comprimido en la parte de la montaña que da al viento, y se expande al descender hacia la zona de baja presión por la ladera a sotavento de la colina.


Obstáculos del viento


Selección del emplazamiento de la central eoloeléctrica


Transmisión Generador

Cubo

Tolva protectora

Motor de orientación

Flecha principalChasis principal

Torre

Freno de disco

Aspas

Componentes de un aerogenerador


Aspas (palas) del aerogenerador

( ) ( )( )drCsenCcvdF DL ααρ +Θ−−Θ= cos21 2

bL Av

LC 25.0 ρ=

bD Av

DC 25.0 ρ=


Aspas (palas) del aerogenerador


Mecanismos de control

El Mecanismo de orientación mecanismo de orientación de un aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento.

En un aerogenerador de regulación por cambio del ángulo de paso, el controlador electrónico de la turbina comprueba varias veces por segundo la potencia generada


Generador

Conexión con tiristores a carga completa

Generador

Configuración con tiristores para suavizar la conexión

Generación eléctrica


Curva de potencia de un aerogenerador y cálculo de la energía


Tamaño de aerogeneradores


Torres de aerogeneradores

En los grandes aerogeneradores las torres tubulares pueden ser de acero, de celosía o de hormigón. Las torres tubulares tensadas con vientos sólo se utilizan en aerogeneradores pequeños (cargadores de baterías, etc.).


Instalación de aerogeneradores


Centrales Eoloeléctricas Modernas

Cargas conectadasGeneración

Termoeléctrica

Nucleoeléctrica

Eoloeléctrica

Hidroeléctrica


Incendio por descarga atmosférica


Impacto Ambiental

El proceso de conversión viento-electricidad:- No libera gases de efecto invernadero.- No emite contaminantes atmosféricos.- No utiliza agua.- No genera residuos peligrosos.

La fuente de energía (el viento):- Es inagotable ya que se deriva de procesos atmosféricos perennes.- Está en la superficie y no requiere procesos de extracción.- Su manejo y posibles accidentes en su explotación no implicanriesgos ambientales de alto impacto, tales como derrames portransporte, explosiones, incendios, etcétera.


Generación de Ruido

Para que las centrales eoloeléctricas no ocasionen molestias de ruido a sus vecinos, algunos países han emitido normas ambientales que limitan su cercanía a lugares habitados.

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

0 50 100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

D i s t a n c i a ( m )

Niv

el d

e ru

ido

(dB

A)


Aerogeneradores (1GW)0.4%

Líneas de energía eléctrica22.1%

Tráfico de vehiculos

44.2%

Cazadores33.2%

Colisión con aves, rutas migratorias.


Impacto visualImpacto visual

La percepción visual depende de:La percepción visual depende de:El tamaño.El tamaño.El diseño.El diseño.El número de aspas.El número de aspas.El color.El color.El número de turbinas.El número de turbinas.La distribución.La distribución.El movimiento de las aspas.El movimiento de las aspas.

La percepción individual depende de:La percepción individual depende de:Qué tanto se está involucrado con Qué tanto se está involucrado con esta tecnología.esta tecnología.Qué tipo de energía se desea.Qué tipo de energía se desea.

La oposición a nuevas estructuras La oposición a nuevas estructuras cambia una vez que estas se vuelven cambia una vez que estas se vuelven familiares.familiares.


Aspectos económicos de la energía eólica

3

4

5

6

7

8

9

10

11

20 25 30 35 40 45 50

Factor de planta (%)

CNP

(US¢

/kW

h)

OyM (1.5 US¢/kWh) [Limite alto]

OyM (0.8 US¢/kWh) [Límite bajo]

Indicadores del costo nivelado de producciónpara costos de inversión entre 800 y 1,100 USD/kW


Europa: 56,500 MWeTOTAL MUNDIAL: 94, 000 MWe

(Diciembre 2007)

Capacidad de la energía eólica instalada


Vindeby en Dinamarca.

Tuno Knob en Dinamarca.

Middelgrunnden cerca de Copenhagen Horns Rev en aguas de Dinamarca.


Situación En México

Puerto JuárezCancún

CozumelPuerto MorelosChemuyilCobaXcalak

Isla delCarmen

La Ventosa

Lerdo

Acayucan

LagunaVerde

El GavilleroPachuca

Valle deMéxico

La Virgen

Valle del Hundido

Valle de Acatita

San Bartolo

Rancho MarAzul

Isla MargaritaBahía Magdalena

San Carlos

RegiónPacífico Norte

Guerrero NegroVizcaíno

Laguneros

IIECFE

Sitios con información anemométrica recabada por el IIE y CFE


· Regiones potenciales


Central eólica la Venta I Central eólica la Venta II

Comisión Federal de ElectricidadComisión Federal de Electricidad


El viento y la diversificación energética en el SEN

Hidroeléctrica

Gas, Diesel, Combustóleo

Carbón

10 TWhNuclear

Geotermia 6 TWh

201 TWh

100%

73.9%

8.3 %

5.2 %

3.1 %

9.5 %

ENERGIA PRODUCIDA EN EL SEN DURANTE EL AÑO 2003

Viento2 MW

0.01 TWh

< 0.003%

17 TWh

148 TWh

19 TWh

LA CONTRIBUCIÓN DEL PROYECTO LA VENTA II SE

ESTIMA EN 325 GWH ANUALES CON 85 MW INSTALADOS

.16%

Viento85 MW

325 GWh


• Investigación y Desarrollo en varias ramas de la ingeniería• Creación de nuevos empleos.• Impulso al desarrollo regional.• Atracción de la inversión privada.• Contribución a reactivar la planta productiva.• Creación de pequeñas y medianas empresas• Abastecimiento de electricidad utilizando fuentes locales de energía.• Ahorro de combustibles fósiles• Disminución de riesgos en el abastecimiento de energéticos.

• La generación eoloeléctrica fomenta


Oscar Jaramillo [email protected]

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