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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
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¿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.
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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
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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
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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
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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
−=
−−−=
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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
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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.
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¿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
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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.
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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
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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
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( ) ( )( ) ( )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
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Función de densidad de potencia: Potencia del viento
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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.
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Pioneros de la turbina eólica
Charles F. Brush (1849-1929)
Poul la Cour (1846-1908)
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F.L. Smidth Johannes Juul y las turbinas Vester Egeborg
La turbina La turbina RiisagerRiisager
La máquina Tvind Bonus 30 kW
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Diferentes configuraciones de aspas (palas) para los rotores.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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Mapas eólicos
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Selección del emplazamiento de un aerogenerador
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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.
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Distribución del parque eoloeléctrico
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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.
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Obstáculos del viento
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Selección del emplazamiento de la central eoloeléctrica
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Transmisión Generador
Cubo
Tolva protectora
Motor de orientación
Flecha principalChasis principal
Torre
Freno de disco
Aspas
Componentes de un aerogenerador
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Aspas (palas) del aerogenerador
( ) ( )( )drCsenCcvdF DL ααρ +Θ−−Θ= cos21 2
bL Av
LC 25.0 ρ=
bD Av
DC 25.0 ρ=
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Aspas (palas) del aerogenerador
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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
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Generador
Conexión con tiristores a carga completa
Generador
Configuración con tiristores para suavizar la conexión
Generación eléctrica
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Curva de potencia de un aerogenerador y cálculo de la energía
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Tamaño de aerogeneradores
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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.).
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Instalación de aerogeneradores
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Centrales Eoloeléctricas Modernas
Cargas conectadasGeneración
Termoeléctrica
Nucleoeléctrica
Eoloeléctrica
Hidroeléctrica
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Incendio por descarga atmosférica
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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.
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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)
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Aerogeneradores (1GW)0.4%
Líneas de energía eléctrica22.1%
Tráfico de vehiculos
44.2%
Cazadores33.2%
Colisión con aves, rutas migratorias.
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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.
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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
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Europa: 56,500 MWeTOTAL MUNDIAL: 94, 000 MWe
(Diciembre 2007)
Capacidad de la energía eólica instalada
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Vindeby en Dinamarca.
Tuno Knob en Dinamarca.
Middelgrunnden cerca de Copenhagen Horns Rev en aguas de Dinamarca.
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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
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· Regiones potenciales
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Central eólica la Venta I Central eólica la Venta II
Comisión Federal de ElectricidadComisión Federal de Electricidad
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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
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• 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
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Oscar Jaramillo [email protected]