Energía eólica, principios y cálculos

1. Professor:
Jacinto Arroyo

4.  El viento es aire en movimiento y
es una forma indirecta de la
energía solar.
 Este movimiento de las masas de
aire se origina por diferencias de
temperatura causada por la
radiación solar sobre la superficie
terrestre, que junto a la rotación
de la tierra, crean entonces los,
llamados, patrones globales de
circulación.

5. DINÁMICA ATMOSFÉRICA

6. DINÁMICA ATMOSFÉRICA

7. Fuerzas que intervienen en el
movimiento de la atmósfera
2da Ley de Newton
F=m.a
 Fuerza de gradiente
de presión
 Fuerza de Coriolis
 Fuerza centrípeta
 Fuerza de fricción

8.  Vientos de Escala Macro (100 ‐ 10,000 Km.)
 El flujo de viento originado por la circulación global se conoce como
vientos de escala macro.
 La escala horizontal de movimiento de estos vientos va desde algunos
cientos a miles de kilómetros.
 El viento de escala macro (no perturbado por características de la
superficie terrestre excepto por cadenas de montañas) se encuentra en
altitudes superiores a los 1,000 metros.
 Vientos de Escala Media (5 a 200 Km.)
 Las variaciones de la superficie terrestre con escala horizontal de 10 a
100 Kilómetros tienen una influencia en el flujo de viento entre los 100
y 1,000 metros de altura sobre el terreno.
 Obviamente, la topografía es importante y los vientos tienden a fluir
por encima y alrededor de montañas y colinas. Cualquier otro obstáculo
(ó rugosidad) sobre la superficie terrestre de gran tamaño desacelera el
flujo de aire.
 Vientos de Escala Micro (hasta 10 Km.)
 En una escala micro, los vientos de superficie (entre 60 y 100 metros
sobre el terreno), los cuales son los más interesantes para la aplicación
directa de la conversión de la energía eólica, son influenciados por las
condiciones locales de la superficie, como la rugosidad del terreno
(vegetación, edificios) y obstáculos.

10. la velocidad del viento varía
con la altura y depende
fundamentalmente de la
naturaleza del terreno sobre
el cual se desplazan las
masas de aire. La variación de
velocidad puede representase
mediante la siguiente
expresión:
donde V1 < V2 representan las
velocidades del viento a las
alturas h1 < h2, respectivamente.
El exponente a caracteriza
al terreno, pudiendo variar entre
0,08 (sobre superficies
lisas como hielo, lagunas, etc.) y
0,40 (sobre terrenos
muy accidentados).

13. P = Potencia en W
ρ = densidad del aire en Kg/m3
(aprox. 1,2 Kg/m3)
A = Superficie en m2
V = Velocidad del viento en m/s
P = 1/2ρAv3
Si la velocidad del viento
se duplica, la potencia es
ocho veces más grande.
De 2 a 3 m/s de
velocidad de viento, la
potencia del viento es
más de tres veces. De 4 a
5 m/s de velocidad de
viento, la potencia es el
doble

15.  Datos Meteorológicos
 Velocidad del viento Promedio Anual.
 Variaciones estacionales
 Variaciones diurnas
 Borrascas, vientos extremos. Para
determinar las máximas velocidades
de viento en las cuales cualquier
equipo de conversión de energía
eólica puede ser capaz de aguantar
sin presentar daño.
 Períodos de Calma. Se requiere
información sobre períodos largos de
baja intensidad del viento para
determinar las dimensiones de
elementos como baterías o tanques
de almacenamiento.
 Distribución de frecuencia de
velocidades de viento.

16.  Información empírica

17. Otros métodos
‐ Método por anenómetros
‐ Método de correlación

18. ESTIMACIONES DE LA ENERGÍA EÓLICA

20.  El siguiente paso consiste en elegir
un equipo eólico comercial para su
evaluación, por ejemplo se escoge el
equipo BERGEY Windpower Co BWC
Excel, cuyas características se son:
Con la información de distribución de
viento y de curva de potencia del
aerogenerador se puede entonces estimar
la producción de energía en el período de
análisis.

22.  El estimativo de energía producida
por el equipo BWC EXCEL para el
período de análisis de 4340 horas,
se realiza multiplicando el nivel de
potencia del generador y el
número de horas de viento en cada
intervalo,
 la energía total producida es
entonces la suma de la distribución
de energía, lo cual resulta ser
21670.3 Kwhr para el período de
180 días.
 Este nivel de energía corresponde
a una capacidad de generación
diaria promedio de 120 Kwhr/día,
 permitiendo un suministro de
energía eléctrica para 30 viviendas
con un consumo básico de 4
Kwhr/día/vivienda

24.  Los equipos eólicos se dividen en
dos tipos:
 Los Sistemas de Conversión de energía
eólica de eje Horizontal (SCEH) con dos
subdivisiones como son los de baja
velocidad (muchas aspas) o los de alta
velocidad (pocas aspas)
 Los Sistemas de Conversión de Eje Vertical
(SCEV), con subdivisión similar a los de eje
horizontal

25.  Componentes
 Rotor
 Caja de Engranajes
 Torre
 Cimientos
 Controles
 Generador
 Tipos
 Eje Horizontal
 El más común
 Controla el diseño de giro del rotor
en el viento
 Eje Vertical
 Poco común
Esquema de Turbina Eólica de Eje Horizontal
Caja con
Engranajes
Y Generador
Diámetro
del
Rotor
Área
Barrida por
Las Aletas
Conexiones Eléctricas
Subterráneas
(Vista Frontal)
Cimientos
(Vista Lateral)
Aleta del
Rotor
Altura
del Eje
Torre

26. Eje Vertical
Eje Horizontal

28.  ROTOR
 El rotor de una turbina eólica, es la parte
esencial para la conversión de energía, el
rotor convierte la energía cinética del aire
en energía mecánica rotacional útil en un
eje.
 Este se compone de las aspas y el cubo
(elemento de sujeción de las aspas y
conexión del eje del equipo).

30.  El sistema de transmisión es aquel
sistema que convierte la energía
rotacional suministrada por la
turbina a través de su eje, en
movimiento oscilante del vástago
de la bomba para aerobombeo o
alimentación del generador
eléctrico en aerogeneración.

32. Recurso Eólico: PeruVS España

33. 62
64
66
68
70
72
74
76
78
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Hora
PotenciaMW
Potencia MW
En la madrugada
Permitirá ahorrar
Agua.
Buena producción
en horas punta
Buen complemento con las hidroeléctricas, es conveniente
Ahorrar el agua cuando la gente duerme.

34. Ene-09 Feb-09 Mar-09 Abr-09 May-09 Jun-09 Jul-09 Ago-09 Sep-09 Oct-09 Nov-09 Dic-09 TOTAL
CMg Est. 80% excedencia 67 73 151 113 110 233 261 219 212 192 176 55
Tarifa Adjudicación 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
Energ. Eólica (400 MW) 96,709 40,877 42,041 85,581 132,784 143,971 135,552 146,698 143,145 123,441 101,117 103,006 1,294,920
Tipo de generación Ene-09 Feb-09 Mar-09 Abr-09 May-09 Jun-09 Jul-09 Ago-09 Sep-09 Oct-09 Nov-09 Dic-09
Hidráulica 1,896,317 1,720,818 1,793,926 1,713,150 1,647,720 1,494,995 1,354,813 1,097,434 1,088,890 1,333,039 1,451,124 1,734,740
Térmica 692,237 675,703 863,013 833,170 982,913 1,058,585 1,250,457 1,527,665 1,485,028 1,346,513 1,179,270 982,257
Total (Mw) 2,588,554 2,396,522 2,656,939 2,546,320 2,630,633 2,553,579 2,605,269 2,625,099 2,573,918 2,679,552 2,630,394 2,716,996 31,203,775
Costo Var. Elevado (6% Tot Gener.) * 155,313 143,791 159,416 152,779 157,838 153,215 156,316 157,506 154,435 160,773 157,824 163,020 1,872,226
Costo Total Diesel 10,449,991 10,538,944 24,007,945 17,241,642 17,397,952 35,747,556 40,780,281 34,418,723 32,739,208 30,849,141 27,829,046 9,018,906 291,019,332
Costo Total Diesel y Eolica 13,613,979 11,630,643 21,880,737 16,141,646 16,040,016 16,553,881 18,972,206 17,031,557 16,707,903 19,507,384 20,110,815 13,620,782 201,811,551
Ahorro (Postivos) -3,163,988 -1,091,700 2,127,207 1,099,995 1,357,936 19,193,674 21,808,075 17,387,166 16,031,305 11,341,757 7,718,231 -4,601,877 89,207,781
* Centrales Diesel ,Centrales Turbo Vapores Residuales, R600 y Fallas
Estimaciòn de ahorro en dólares del Sistema Interconectado al ingresar la Energía Eólica
En esta tabla se aprecia que el resultado final, al reemplazar parte de la generación térmica diesel con
400 MW de generación Eólica ( datos reales medidos de viento 2013 valorizado a $100 el MWh e incluirla como
parte del 6% que se gasta en combustibles caros), el resultado final con los datos proyectados del 2013 del
COES es un ahorro
al sistema de 89 millones de dólares. Adicionalmente se han importado equipos de emergencia y eso lo paga el
Usuario.
Proyecciones del COES 2014