Laboratorio de Energía Eólica
Universidad Nacional de Trujillo
Laboratorio de Energía Eólica 1. In Intr trod oduc ucció ción n "Eól "Eólic ica" a" vien viene e de Eolo Eolo,, dios dios grie griego go del del vien viento to.. El vien viento to es ener energí gía a en movimiento movimiento.. El ser humano ha utilizado esta energía de diversas maneras a lo largo largo de su historia historia:: barcos barcos a vela, vela, molinos molinos,, etrac etracció ción n de agua agua de !ozos !ozos subterrneos. La energía eólica se considera una #orma indirecta de energía solar, !uesto $ue el sol, al calentar las masas de aire, !roduce un incremento de la !resión atmos#%rica & con ello el des!lazamiento de estas masas a zonas de menor !resión. !resión. 'sí se da origen a los vientos vientos como un resultado resultado de este movimiento, movimiento, cu&a cu&a energí energía a cin%ti cin%tica ca !uede !uede trans# trans#orm ormars arse e en energí energía a (til, (til, tanto tanto mecni mecnica ca como como el%c el%ctr tric ica. a. )#r )#rece ece un im!o im!ort rtan ante te !ote !otenc ncia iall !ara !ara el sumi sumini nist strro de cantida cantidades des sustanc sustancial iales es de electr electricid icidad ad sin los !roble !roblemas mas de !olució !olución n $ue !resentan la ma&oría de las #ormas convencionales de generación. *es!u%s de la crisis energ%tica energ%tica mundial $ue se !resenta !resenta en el a+o de -/, se im!ulsa un inter%s global !or el desarrollo desarrollo & uso de #uentes #uentes alternativas de energía como energí energía a solar solar t%rmic t%rmica, a, #otovo #otovolta ltaica ica,, eólica eólica,, micro micro hidroel hidroelect ectrici ricidad, dad, de las mareas, de las olas, la geotermia, el uso de la biomasa, entre otras. En la actualidad & en varios !aíses, en conjunto, !ara coneión a red se han instalado ms de 01,222 turbinas eólicas de diversos tama+os & !otencias nominales, con una tendencia a estandarizar el tama+o ó!timo !or turbina individual de nivel de !otencia nominal de 012 34 el%ctricos & tama+os $ue oscilan entre 01 & /2 metros de dimetro. Los e$ui!os instalados eceden eceden una ca!a ca!aci cida dad d glob global al de 5022 5022 64 7-7--58 58 7'9E 7'9E'8 '8 & una una !rod !roduc ucci ción ón anua anuall energ%tica en eceso de los /,222 millones de 34hr, lo cual ha demostrado $ue cuan cuando do se insta instala lan n e$ui! e$ui!os os en cond condic icion iones es #avo #avora rable bles s de vient viento, o, la viabilidad económica de estas instalaciones la hacen com!etitiva a alternativas convencionales de suministro de energía. energía. ale la !ena anotar $ue de todas las tecnologías de energías renovables, la energía eólica h a emergido como una de las ms ventajo ventajosas sas,, como como consec consecuenc uencia ia del n(mero n(mero de instala instalacio ciones nes & la !ote !otenc ncia ia glob global al inst instal alada ada,, sin sin ser ser com! com!ar arab able, le, !or !or ningu ninguna na otra otra #uent #uente e renovable de energía.
2. Obje Objeti tivo vos s *eterminar la !otencia generada !or la turbina de viento hallando el voltaje con un multitester. multitester. ;om!arar la !otencia teórica con la !otencia obtenida en la !rctica.
Energía eólica
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La energía eólica o del viento ha sido utilizada !or cientos de a+os !ara molienda de granos, bombeo de agua & otras a!licaciones mecnicas. En la actualidad, eisten ms de un millón de molinos de viento en o!eración alrededor del mundo? estos se utilizan !rinci!almente !ara etracción & bombeo de agua. 6ientras el viento seguir siendo utilizado !ara bombeo de agua, el uso de la energía eólica como #uente energ%tica libre de !olución !ara generación de electricidad es una alternativa atractiva $ue en los (ltimos a+os ha acrecentado el inter%s de muchos !aíses !ara su im!lementación como #uente de generación el%ctrica. La energía $ue !uede obtenerse del viento, tanto en el medio terrestre como marino, se denomina eólica. La !roducción de esta energía a escala comercial se realiza mediante aerogeneradores de eje horizontal 7el eje de rotación es !aralelo a la dirección del viento8, los cuales !ueden ser de dos ti!os, de!endiendo del generador $ue lleven: a8 'síncronos o de inducción. @uncionan con multi!licadora. b8 Aíncronos. Auelen #uncionar sin multi!licadora. )tras dos características !or las $ue se clasi=can estos aerogeneradores son: a8 ;ontrol de !otencia. Los aerogeneradores !ueden rentabilizar su rendimiento reduciendo la ca!tura de recurso eólico !ara velocidades iguales o su!eriores a la de !otencia nominal 7desde a 1 mBs8 . En consecuencia, se disminu&en las cargas mecnicas !rovocadas !or vientos turbulentos & se aumenta la !roducción de energía. Esta (ltima característica a#ecta es!ecí=camente a aerogeneradores con sistemas de control de !otencia activos. Eisten tres ti!os de control de !otencia: !or variación del ngulo de !aso 7!itch control8, control activo !or !%rdida aerodinmica & control !or !%rdida aerodinmica. Los dos !rimeros son sistemas activos de !aso variable & el tercero !asivo. C ;ontrol !or variación del ngulo de !aso. Eisten dos !osibles con=guraciones: las !alas !ueden girar sobre su eje hasta -2D, o bien sólo en el tramo =nal 7(ltimo tercio8. C ;ontrol activo !or !%rdida aerodinmica. El giro de las !alas es de sólo unos grados 7menos de 2D8, si bien, una vez $ue el aerogenerador alcanza velocidad de viento $ue su!one !otencia nominal, las !alas se orientan en sentido contrario al $ue lo hacen las reguladas !or variación del ngulo de !aso, a =n de llevarlas hasta una !osición de ma&or !%rdida de sustentación.
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;ontrol !or !%rdida aerodinmica. Esto signi=ca $ue las !alas estn unidas al buje en ngulo =jo & !resentan un dise+o torsionado. *e esta #orma, ante velocidades de viento elevadas el eceso de energía es absorbido gradualmente !or las !alas a lo largo de su eje longitudinal limitando $ue la #uerza del viento act(e en el rotor.
El viento y sus características El viento se de=ne mediante la dirección & la velocidad. La dirección del viento se designa !or el !unto cardinal desde donde so!la: !or ejem!lo, se llamar viento de dirección )este o viento del )este si !roviene de este !unto. Esta dirección nos la da la veleta. La velocidad es la $ue da al viento su energía. Ae mide con anemómetros, siendo los ms utilizados en !rcticamente todas las estaciones meteorológicas los anemómetros de rotación de cazoletas. Las condiciones de viento en un territorio vienen determinadas !or tres ti!os de circulación de aire, seg(n los e#ectos dominantes: circulación a escala !lanetaria o macroescala, a escala local o mesoescala & a escala !róima al em!lazamiento o microescala. La circulación de las masas de aire considerando el conjunto de la atmós#era de la Tierra se denomina circulación general de la atmós#eraF. Esta trabaja como una m$uina t%rmica $ue tiende a igualar las tem!eraturas de las distintas !artes de la su!er=cie terrestre. Tiene lugar #undamentalmente en la tro!os#era, la zona in#erior de la atmós#era, $ue contiene los GB1 de la masa de %sta & tiene un es!esor de a!roimadamente Hm en los !olos & 0 Hm en el ecuador. Las condiciones de la circulación general de la atmós#era vienen alteradas !or la distribución de continentes & mares, eistiendo unas desviaciones ms acusadas en el hemis#erio Norte, donde eisten ma&ores masas continentales $ue en el hemis#erio Aur. Los vientos debidos a di#erencias de tem!eratura ms conocidos son las brisas marinas & los vientos de monta+a & valle.
Irisas marinas: se originan !or las di#erencias de tem!eratura entre el mar & la tierra. *urante el día, la tierra se calienta ms r!idamente $ue el mar, originndose, a !artir del mediodía a!roimadamente, una circulación de aire del mar hacia la tierra. *urante la noche, la tierra se en#ría ms r!idamente $ue el mar invirti%ndose la corriente. La #uerza del viento resultante de!ende de la di#erencia de tem!eratura entre ambos elementos, !or lo $ue las brisas se muestran con ms claridad en verano.
ientos de monta+a & valle: tienen el mismo origen $ue las brisas, originndose la di#erencia de tem!eratura entre las zonas altas de los montes & los valles. *e!enden de las distribuciones de tem!eratura eistentes & de la orogra#ía de la zona.
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'mbos #enómenos se desarrollan cuando los vientos dominantes estn mu& atenuados. >or otra !arte, la rugosidad del terreno tiende a #renar el movimiento del aire de tal #orma $ue la ca!a ms cercana al suelo est en com!leto re!oso: es la ca!a límite atmos#%rica. La velocidad varía gradualmente con la altura hasta un valor característico de la velocidad del viento geostró=co, o sea, la del aire sin !erturbar 7corres!ondiente al nivel de macroescala8. >or (ltimo en lo $ue a escala local se re=ere, la orogra#ía del terreno tambi%n juega un !a!el im!ortante. La velocidad del viento su#re una aceleración cuando tiene $ue remontar colinas, montes o cadenas monta+osas, mientras $ue se aten(a en los valles. PA!O"E# $LO%ALE# &E 'I!'(LA'IO" &EL )IE"O
El viento es aire en movimiento & es una #orma indirecta de la energía solar. Este movimiento de las masas de aire se origina !or di#erencias de tem!eratura causada !or la radiación solar sobre la su!er=cie terrestre, $ue junto a la rotación de la tierra, crean entonces los, llamados, !atrones globales de circulación. El Jujo de energía solar total absorbido !or la tierra es del orden de 2 vatios, lo cual es a!roimadamente 2,222 veces la tasa total mundial del consumo energ%tico. Una !e$ue+a !orción del Jujo total solar 7a!roimadamente K o 21 vatios8 se convierte en movimiento atmos#%rico o viento. Las masas de aire caliente en la región ecuatorial ascienden 7causando la #ormación de nubes & de relm!agos8 en una banda delgada de alrededor 22 3m. de ancho, llamada la ona de ;onvergencia Mntertro!ical 7;MT8. Esta zona se ubica ms o menos !aralela al ecuador alrededor de la tierra 7er @igura 0.8. En la !arte su!erior de la atmós#era estas masas de aire se dividen en dos, una alejndose del ecuador hacia el norte & otra alejndose hacia el sur. 'l alejarse del ecuador, el aire se en#ría & se vuelve ms !esado. ' a!roimadamente /2 de latitud Norte & Aur, este aire em!ieza a descender, causando un clima seco & sin nubes. En estas latitudes es donde se encuentran los grandes desiertos alrededor del mundo. Calculo de la potencia del viento
La !otencia en el viento so!lando con una velocidad a trav%s de una rea ' !er!endicular a , es: 1
3
Pviento = ρA V [ w : vatios ] 2
*onde:
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: Es la !otencia en el viento en vatios
ρ : Es la densidad del aire 7a!ro. .0- 3gBm /8
: Es la velocidad del viento en mBs ': Es el rea !er!endicular al viento en m 0
*. Materiales Los materiales $ue se utilizaron en este laboratorio #ueron:
urbina de viento
Multitester
%atería
+. Procedi,ientos
>ara comenzar con esta !rctica se debe llevar la turbina de viento a un lugar donde el viento sea el ms #uerte !osible, !or eso lo llevamos al techo de la #acultad, !ues como se sabe a ma&or altura la velocidad del viento es ma&or.
Luego se le conectar a multitester, !ara medir el !or el viento el cual ser cronómetro, midiendo el segundos mientras la girando.
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A)>)OTE *E
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esta turbina, el voltaje generado controlado !or un voltaje cada 1 turbina est
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El voltaje se mide desde el momento $ue comience a moverse los alabes hasta el momento $ue termine.
-. !esultados 0s + 1/ 1+ 2/ 2+ 3/ 3+ */ *+ +/ ++ -/ -+ / + /
)oltios 0) ,252 2,GQ/ ,0 2,-- ,0/ ,Q2 ,Q2 0,-Q ,Q1 0,5// ,11 ,52 2,-Q2 ,2G/ ,G/ 2,02
otencia teórica: Tomamos la P 1mBs !ues es la velocidad !romedio del viento en la ciudad de Trujillo. 1
3
Pviento = ρA V 2
1 kg 2 3 )oltaje P= ∗1.29 3 ∗ π ∗(0.56 m ) ∗(5 m / s ) m Pro,edio2
P
=
79.43 Watts
otencia !rctica 2
V P= R
1.706 V
¿ ¿ ¿2 ¿ P=¿
P=1.41 Watts
Aiendo el error !orcentual de: e=
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79.43
−1 . 41
79.43
∗100 =98.22
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∗ P p ρ∗ A∗V 2
3
∗1.41 Watts
2
Cp= 1.29
kg m
3
2
3
∗π ∗(0.56 m) ∗(5 m / s )
Cp
=
0.018
.&iscusión ;om!arando los resultados obtenidos de !otencia teórica & !rctica, nos damos cuenta $ue ha& un error !orcentual del -Q.00K? este dato nos $uiere decir $ue la !rctica realizada estuvo mal, !ues ha& un error mu& grande. Esto !udo darse !or el viento $ue sólo hacia girar !or un momento la turbina & luego de un corto tiem!o se detenía, es!erando otra r#aga de viento !ara hacerla girar, lo $ue no !asa con las turbinas en un !ar$ue eólico !or ejem!lo !ues estn colocadas en un lugar es!ecí=co !ara obtener la ma&or !otencia !osible. El coe=ciente de !otencia nos dice $ue de toda la energía sólo a!rovecha el .QK haciendo $ue esta turbina no se utilizada !ara generar energía. . 'onclusión
Ae halló la !otencia teórica & la !otencia !rctica $ue #ueron de -.G/ & .G 9atts res!ectivamente. Ae halló el margen de error de $ue se obtuvo en la !rctica siendo -QK, lo cual signi=ca $ue hubo errores $ue hicieron $ue la !rctica #alle como la velocidad del viento o $ue la turbina giraba sólo !or unos momentos. El coe=ciente de e=ciencia de la turbina #ue de 2.2Q lo cual signi=ca $ue sólo a!rovecha el .QK de la energía $ue le llega.
. !eco,endaciones ;olocar la turbina en un lugar donde corra la ma&or cantidad de viento o en un zona donde ha&a un !ar$ue eólico !or ejem!lo, !ues ahí se !odría obtener buenos resultados &a $ue la turbina giraría !or largos !eriodos de tiem!o.
1/.
!e4erencias %ibliogr56cas
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htt!:BB4eb.ing.!uc.cl 7;onsultado el 2-B0B0208 htt!:BB444.economiadelaenergia.comBenergiaReolicaB7;onsultado 2-B0B0208
el
htt!:BBes.eas&calculation.comB4eatherB4indR!o4er.!h!7;onsultado 2-B0B0208
el
htt!:BB444.slideshare.netBablitasBenergiaReolicaRiR0150Q07;onsultado el 2-B0B0208 htt!:BB444.energiasrenovables.ciemat.esBadjuntosSdocumentosBEnergiaS Eolica.!d# 7;onsultado el 2-B0B0208
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