Informe De Energia Eolica e3763

Laboratorio de Energía Eólica

Universidad Nacional de Trujillo

Laboratorio de Energía Eólica 1. Introducción "Eólica" viene de Eolo, dios griego del viento. El viento es energía en movimiento. El ser humano ha utilizado esta energía de diversas maneras a lo largo de su historia: barcos a vela, molinos, extracción de agua de pozos subterráneos. La energía eólica se considera una forma indirecta de energía solar, puesto que el sol, al calentar las masas de aire, produce un incremento de la presión atmosférica y con ello el desplazamiento de estas masas a zonas de menor presión. Así se da origen a los vientos como un resultado de este movimiento, cuya energía cinética puede transformarse en energía útil, tanto mecánica como eléctrica. Ofrece un importante potencial para el suministro de cantidades sustanciales de electricidad sin los problemas de polución que presentan la mayoría de las formas convencionales de generación. Después de la crisis energética mundial que se presenta en el año de 1973, se impulsa un interés global por el desarrollo y uso de fuentes alternativas de energía como energía solar térmica, fotovoltaica, eólica, micro hidroelectricidad, de las mareas, de las olas, la geotermia, el uso de la biomasa, entre otras. En la actualidad y en varios países, en conjunto, para conexión a red se han instalado más de 25,000 turbinas eólicas de diversos tamaños y potencias nominales, con una tendencia a estandarizar el tamaño óptimo por turbina individual de nivel de potencia nominal de 250 Kw eléctricos y tamaños que oscilan entre 25 y 30 metros de diámetro. Los equipos instalados exceden una capacidad global de 6200 Mw (1996) (AWEA) y una producción anual energética en exceso de los 13,000 millones de Kwhr, lo cual ha demostrado que cuando se instalan equipos en condiciones favorables de viento, la viabilidad económica de estas instalaciones la hacen competitiva a alternativas convencionales de suministro de energía. Vale la pena anotar que de todas las tecnologías de energías renovables, la energía eólica ha emergido como una de las más ventajosas, como consecuencia del número de instalaciones y la potencia global instalada, sin ser comparable, por ninguna otra fuente renovable de energía.

2. Objetivos Determinar la potencia generada por la turbina de viento hallando el voltaje con un multitester. Comparar la potencia teórica con la potencia obtenida en la práctica. Hallar el coeficiente de eficiencia de la turbina. 3. Marco teórico: Energía eólica

Energías No Convencionales

Página 1

Laboratorio de Energía Eólica

Universidad Nacional de Trujillo

La energía eólica o del viento ha sido utilizada por cientos de años para molienda de granos, bombeo de agua y otras aplicaciones mecánicas. En la actualidad, existen más de un millón de molinos de viento en operación alrededor del mundo; estos se utilizan principalmente para extracción y bombeo de agua. Mientras el viento seguirá siendo utilizado para bombeo de agua, el uso de la energía eólica como fuente energética libre de polución para generación de electricidad es una alternativa atractiva que en los últimos años ha acrecentado el interés de muchos países para su implementación como fuente de generación eléctrica. La energía que puede obtenerse del viento, tanto en el medio terrestre como marino, se denomina eólica. La producción de esta energía a escala comercial se realiza mediante aerogeneradores de eje horizontal (el eje de rotación es paralelo a la dirección del viento), los cuales pueden ser de dos tipos, dependiendo del generador que lleven: a) Asíncronos o de inducción. Funcionan con multiplicadora. b) Síncronos. Suelen funcionar sin multiplicadora. Otras dos características por las que se clasifican estos aerogeneradores son: a) Control de potencia. Los aerogeneradores pueden rentabilizar su rendimiento reduciendo la captura de recurso eólico para velocidades iguales o superiores a la de potencia nominal (desde 11 a 15 m/s) . En consecuencia, se disminuyen las cargas mecánicas provocadas por vientos turbulentos y se aumenta la producción de energía. Esta última característica afecta específicamente a aerogeneradores con sistemas de control de potencia activos. Existen tres tipos de control de potencia: por variación del ángulo de paso (pitch control), control activo por pérdida aerodinámica y control por pérdida aerodinámica. Los dos primeros son sistemas activos de paso variable y el tercero pasivo. • Control por variación del ángulo de paso. Existen dos posibles configuraciones: las palas pueden girar sobre su eje hasta 90º, o bien sólo en el tramo final (último tercio). • Control activo por pérdida aerodinámica. El giro de las palas es de sólo unos grados (menos de 10º), si bien, una vez que el aerogenerador alcanza velocidad de viento que supone potencia nominal, las palas se orientan en sentido contrario al que lo hacen las reguladas por variación del ángulo de paso, a fin de llevarlas hasta una posición de mayor pérdida de sustentación.

Energías No Convencionales

Página 2

Laboratorio de Energía Eólica •

Universidad Nacional de Trujillo

Control por pérdida aerodinámica. Esto significa que las palas están unidas al buje en ángulo fijo y presentan un diseño torsionado. De esta forma, ante velocidades de viento elevadas el exceso de energía es absorbido gradualmente por las palas a lo largo de su eje longitudinal limitando que la fuerza del viento actúe en el rotor.

El viento y sus características El viento se define mediante la dirección y la velocidad. La dirección del viento se designa por el punto cardinal desde donde sopla: por ejemplo, se llamará viento de dirección Oeste o viento del Oeste si proviene de este punto. Esta dirección nos la da la veleta. La velocidad es la que da al viento su energía. Se mide con anemómetros, siendo los más utilizados en prácticamente todas las estaciones meteorológicas los anemómetros de rotación de cazoletas. Las condiciones de viento en un territorio vienen determinadas por tres tipos de circulación de aire, según los efectos dominantes: circulación a escala planetaria o macroescala, a escala local o mesoescala y a escala próxima al emplazamiento o microescala. La circulación de las masas de aire considerando el conjunto de la atmósfera de la Tierra se denomina “circulación general de la atmósfera”. Esta trabaja como una máquina térmica que tiende a igualar las temperaturas de las distintas partes de la superficie terrestre. Tiene lugar fundamentalmente en la troposfera, la zona inferior de la atmósfera, que contiene los 4/5 de la masa de ésta y tiene un espesor de aproximadamente 7 km en los polos y 12 km en el ecuador. Las condiciones de la circulación general de la atmósfera vienen alteradas por la distribución de continentes y mares, existiendo unas desviaciones más acusadas en el hemisferio Norte, donde existen mayores masas continentales que en el hemisferio Sur. Los vientos debidos a diferencias de temperatura más conocidos son las brisas marinas y los vientos de montaña y valle.  Brisas marinas: se originan por las diferencias de temperatura entre el mar y la tierra. Durante el día, la tierra se calienta más rápidamente que el mar, originándose, a partir del mediodía aproximadamente, una circulación de aire del mar hacia la tierra. Durante la noche, la tierra se enfría más rápidamente que el mar invirtiéndose la corriente. La fuerza del viento resultante depende de la diferencia de temperatura entre ambos elementos, por lo que las brisas se muestran con más claridad en verano.  Vientos de montaña y valle: tienen el mismo origen que las brisas, originándose la diferencia de temperatura entre las zonas altas de los montes y los valles. Dependen de las distribuciones de temperatura existentes y de la orografía de la zona.

Energías No Convencionales

Página 3

Laboratorio de Energía Eólica

Universidad Nacional de Trujillo

Ambos fenómenos se desarrollan cuando los vientos dominantes están muy atenuados. Por otra parte, la rugosidad del terreno tiende a frenar el movimiento del aire de tal forma que la capa más cercana al suelo está en completo reposo: es la capa límite atmosférica. La velocidad varía gradualmente con la altura hasta un valor característico de la velocidad del viento geostrófico, o sea, la del aire sin perturbar (correspondiente al nivel de macroescala). Por último en lo que a escala local se refiere, la orografía del terreno también juega un papel importante. La velocidad del viento sufre una aceleración cuando tiene que remontar colinas, montes o cadenas montañosas, mientras que se atenúa en los valles. PATRONES GLOBALES DE CIRCULACION DEL VIENTO 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. El flujo de energía solar total absorbido por la tierra es del orden de 1017 vatios, lo cual es aproximadamente 10,000 veces la tasa total mundial del consumo energético. Una pequeña porción del flujo total solar (aproximadamente 1% o 1015 vatios) se convierte en movimiento atmosférico o viento. Las masas de aire caliente en la región ecuatorial ascienden (causando la formación de nubes y de relámpagos) en una banda delgada de alrededor 100 Km. de ancho, llamada la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT). Esta zona se ubica más o menos paralela al ecuador alrededor de la tierra (Ver Figura 2.1). En la parte superior de la atmósfera estas masas de aire se dividen en dos, una alejándose del ecuador hacia el norte y otra alejándose hacia el sur. Al alejarse del ecuador, el aire se enfría y se vuelve más pesado. A aproximadamente 30° de latitud Norte y Sur, este aire empieza a descender, causando un clima seco y sin nubes. En estas latitudes es donde se encuentran los grandes desiertos alrededor del mundo. Calculo de la potencia del viento La potencia en el viento soplando con una velocidad V a través de una área A perpendicular a V, es:

1 3 Pviento = ρA V [w : vatios] 2 Donde:

Energías No Convencionales

Página 4

Laboratorio de Energía Eólica

Pviento

Universidad Nacional de Trujillo

: Es la potencia en el viento en vatios

ρ : Es la densidad del aire (aprox. 1.29 Kg/m3) V: Es la velocidad del viento en m/s A: Es el área perpendicular al viento en m 2

4. Materiales Los materiales que se utilizaron en este laboratorio fueron:

Turbina de viento

Multitester

Batería

5. Procedimientos

Para comenzar con esta práctica se debe llevar la turbina de viento a un lugar donde el viento sea el más fuerte posible, por eso lo llevamos al techo de la facultad, pues como se sabe a mayor altura la velocidad del viento es mayor.

Luego se le conectará a multitester, para medir el por el viento el cual será cronómetro, midiendo el segundos mientras la girando.

Energías No Convencionales

SOPORTE DE

Página 5

esta turbina, el voltaje generado controlado por un voltaje cada 5 turbina está

Laboratorio de Energía Eólica

Universidad Nacional de Trujillo

El voltaje se mide desde el momento que comience a moverse los alabes hasta el momento que termine.

6. Resultados T(s) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Voltios (V) 1,060 0,483 1,217 0,997 1,723 1,780 1,870 2,987 1,857 2,633 1,557 1,607 0,980 1,043 1,143 0,120

Hallando la Potencia teórica: Tomamos la V= 5m/s pues es la velocidad promedio del viento en la ciudad de Trujillo.

1 Pviento = ρA V 3 2

1 kg Voltaje P= ∗1.29 3 ∗π∗(0.56 m)2∗(5 m/s )3 m Promedio2 1.706 V

P=79.43 Watts

Hallando la Potencia práctica

P=

V2 R

1.706 V ¿ ¿ ¿2 ¿ P=¿ P=1. 41 Watts Siendo el error porcentual de:

e=

Energías No Convencionales

79.43−1 . 41 ∗100 =98.22 79.43

Página 6

Laboratorio de Energía Eólica

Universidad Nacional de Trujillo

Hallando el coeficiente de eficiencia de la turbina

=

2∗P p ρ∗A∗V 3 2∗1.41Watts

= 1.29

kg ∗π∗(0.56 m)2∗(5 m/s)3 3 m =0.018

7. Discusión Comparando los resultados obtenidos de potencia teórica y práctica, nos damos cuenta que hay un error porcentual del 98.22%; este dato nos quiere decir que la práctica realizada estuvo mal, pues hay un error muy grande. Esto pudo darse por el viento que sólo hacia girar por un momento la turbina y luego de un corto tiempo se detenía, esperando otra ráfaga de viento para hacerla girar, lo que no pasa con las turbinas en un parque eólico por ejemplo pues están colocadas en un lugar específico para obtener la mayor potencia posible. El coeficiente de potencia nos dice que de toda la energía sólo aprovecha el 1.8% haciendo que esta turbina no se utilizada para generar energía. 8. Conclusión Se halló la potencia teórica y la potencia práctica que fueron de 79.43 y 1.41 Watts respectivamente. Se halló el margen de error de que se obtuvo en la práctica siendo 98%, lo cual significa que hubo errores que hicieron que la práctica falle como la velocidad del viento o que la turbina giraba sólo por unos momentos. El coeficiente de eficiencia de la turbina fue de 0.018 lo cual significa que sólo aprovecha el 1.8% de la energía que le llega.

9. Recomendaciones Colocar la turbina en un lugar donde corra la mayor cantidad de viento o en un zona donde haya un parque eólico por ejemplo, pues ahí se podría obtener buenos resultados ya que la turbina giraría por largos periodos de tiempo.

10.

Referencias Bibliográficas

Energías No Convencionales

Página 7

Laboratorio de Energía Eólica

Universidad Nacional de Trujillo

http://web.ing.puc.cl (Consultado el 09/12/2012) http://www.economiadelaenergia.com/energia-eolica/(Consultado 09/12/2012)

el

http://es.easycalculation.com/weather/wind-power.php(Consultado 09/12/2012)

el

http://www.slideshare.net/ablitas/energia-eolica-i-2562821(Consultado el 09/12/2012) http://www.energiasrenovables.ciemat.es/adjuntos_documentos/Energia_ Eolica.pdf (Consultado el 09/12/2012)

Energías No Convencionales

Página 8