TECNOLOGÍA DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES

CAP.1 INTRODUCCIÓN

Prof. Alfredo Oliveros Donohue

2° Semestre - 2014

C

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Conocimiento Práctico

Conocimiento Práctico

Conocimiento Práctico

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A B C

FORMACIÓN EN INGENIERÍA

ParámetrosExternos

Modelo matemático

Parámetros Internos

Dimensiones Pronóstico

MODELO DE COMPORTAMIENTO

ParámetrosExternos

Modelo matemático

Parámetros Internos

Especificación Dimensión

MODELO DE DISEÑO

Promedio de consumos de agua

Consumidor Consumo de agua

(litros/día)

Persona 60

Novillo-caballo 50

Vaca común 60

Vaca lechera 140

Cerdo 16

Oveja 8

Gallinas (100 unidades) 24

Pavos (100 unidades) 80

Molino de viento multipala, Tipo Americano

Comportamiento de molino de viento Aeromotor, al nivel del mar.

6' 8 - 16' 6' 8' 10' 12' 14' 16'

2 1/4 680 1000 23 34 52 77 110 180

2 1/2 850 1230 20 29 43 65 92 150

2 3/4 1000 1460 17 25 37 55 80 130

3 1200 1780 14 21 31 47 67 110

3 1/4 -- 2075 -- -- 27 40 57 93

3 1/2 1670 2420 11 15 23 35 49 82

3 3/4 -- 2750 -- -- 20 30 44 70

4 2150 3150 8 12 18 26 38 61

4 1/2 2750 4000 7 9 14 21 30 4

5 3400 4900 5 8 11 17 24 40

6 -- 7100 - 5 8 11 17 26

Diámetro

de cuerpo

de bomba

en pulg.

Tamaño del molino de viento.

Altura en metros a que puede elevarse el agua.

Capacidad en litros/hora

CURSO TECNOLOGÍA DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES

TOPICOS TEORÍA (h)

LABORATORIO(N° Experimentos)

INTRODUCCIÓN 1

E. EÓLICA 4 3

E. SOLAR 4 1

E. MINIHIDRO 2 1

E. BIOMASA 4 1

TOTAL 15 6

CAP. 2 POTENCIA DISPONIBLE Y SELECCIÓN DEL

LUGAR DE INSTALACIÓN

Volumen de aire V*A fluyendo cada segundo a través de un área A. Esto representa un flujo de masa ρAV (kG/s)

Carta para estimar la cantidad de agua bombeada por un molino de viento de un diámetro y una altura de agua determinados, operando en un régimen de viento anual (o mensual) de

velocidad V. Basada en la ecuación P/A=0.1*V3 w/m2

Cortaviento relacionado a una altura de referencia de 10 m, para varias alturas de rugosidad Z0

Zona de tuebulencia sobre una edificación pequeña

Aceleración del viento en la cumbre de una colina

CAP. 3 ANÁLISIS DE REGÍMENES DE

VIENTO

Velocidad horaria promedio en Yashila-Piura, en Octubre 1985

Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Día

1 6.7 6.1 5.3 5.0 4.2 4.4 5.3 5.3 5.6 5.6 6.7 8.9 10.0 11.1 10.3 9.2 9.7 9.4 10.6 9.4 4.4 6.1 6.4 6.1 7.2

2 6.1 5.8 5.6 4.7 5.0 4.4 5.3 5.0 7.5 8.3 10.3 8.9 9.4 9.7 9.7 9.4 8.6 6.7 7.2 7.5 6.7 5.3 5.0 4.4 6.9

3 5.6 5.6 6.7 6.1 4.7 5.3 5.6 4.7 4.2 5.8 10.0 9.4 9.7 8.9 8.6 8.3 8.6 8.3 8.3 7.5 4.7 1.7 5.0 3.9 6.6

4 4.4 5.0 3.9 4.2 4.2 3.6 4.2 4.7 5.3 4.7 8.3 11.1 10.0 9.4 8.3 9.7 6.9 6.9 5.6 6.4 4.7 2.8 5.0 1.9 5.9

5 1.4 1.9 1.1 3.1 2.5 1.1 1.7 1.7 3.9 8.3 9.4 9.2 9.4 9.2 8.3 8.1 8.6 7.5 7.2 7.5 5.3 2.8 1.1 1.4 5.1

6 2.2 3.1 4.2 2.2 1.1 1.4 3.1 4.2 5.0 4.7 7.8 9.7 8.6 8.6 9.7 10.3 10.6 10.0 9.4 7.2 7.2 6.7 4.2 5.3 6.1

7 5.3 4.4 5.6 5.6 4.7 4.4 4.2 4.4 5.0 8.3 9.7 9.7 8.9 10.6 11.1 10.0 8.9 9.4 7.8 7.5 3.9 4.4 3.6 4.4 6.7

8 3.9 4.2 3.6 3.9 3.3 3.6 5.8 6.1 5.6 6.7 8.1 9.2 9.2 10.0 9.4 10.3 10.0 10.0 9.2 6.9 5.8 6.4 6.7 4.4 6.8

9 4.7 6.1 5.6 5.0 5.6 5.6 5.0 4.7 4.2 9.4 11.7 10.6 10.3 11.1 11.1 10.0 9.7 8.6 7.2 5.0 1.1 3.3 3.9 1.7 6.7

10 1.1 2.2 3.6 3.3 1.1 1.7 1.1 1.9 3.1 6.9 7.5 9.4 10.3 9.7 9.4 10.3 10.3 10.0 8.6 7.2 3.9 3.3 1.9 1.1 5.4

11 0.6 1.1 1.1 1.9 2.5 3.9 5.6 5.6 6.1 9.4 8.3 7.8 8.3 9.4 8.9 8.3 8.3 7.5 8.6 10.3 6.4 4.4 5.0 4.7 6.0

12 3.9 5.8 4.4 5.0 3.9 4.2 3.6 3.3 6.4 10.0 9.2 8.3 8.9 8.3 11.1 10.3 9.2 10.0 6.7 8.3 6.4 4.2 5.0 3.3 6.7

13 3.3 4.7 3.9 3.9 3.9 5.6 5.3 5.3 4.7 7.2 10.0 10.3 10.3 11.1 11.1 10.3 10.3 8.9 8.6 4.7 4.7 4.4 3.6 2.5 6.6

14 2.8 3.1 3.9 4.4 5.0 5.3 5.8 5.8 4.4 7.5 9.4 8.6 9.4 8.9 8.9 9.4 8.3 10.8 6.9 4.7 2.2 5.0 4.7 4.4 6.3

15 5.6 5.0 2.8 3.3 1.7 1.1 1.7 2.2 6.1 9.4 10.0 10.0 9.7 9.7 9.4 9.4 8.9 8.3 8.3 8.3 3.1 3.3 2.5 2.2 5.9

16 2.2 1.9 1.9 3.3 3.1 4.2 3.3 1.9 1.9 4.4 7.8 9.7 8.9 10.6 9.7 8.9 8.6 9.4 8.1 8.3 8.3 5.8 2.2 1.9 5.7

17 2.5 3.1 3.1 1.9 3.9 1.1 1.7 2.5 2.5 6.4 8.3 10.6 8.9 8.3 8.3 8.3 8.3 7.5 6.9 7.5 6.1 5.0 4.4 2.5 5.4

18 2.8 4.2 4.7 2.5 2.8 3.3 3.6 3.6 8.9 11.1 10.6 10.6 10.3 11.1 9.7 11.1 9.2 8.9 8.6 7.5 6.9 5.6 6.1 6.1 7.1

19 5.6 4.4 5.3 4.2 4.2 4.4 3.9 4.7 8.9 8.3 10.3 10.6 9.7 12.8 11.7 10.6 7.8 7.2 6.1 4.7 3.6 4.7 3.9 2.8 6.7

20 5.6 4.4 5.3 4.2 4.2 4.4 3.9 4.7 8.9 8.3 10.3 10.6 9.7 12.8 11.7 10.6 7.8 7.2 6.1 4.7 3.6 4.7 3.9 2.8 6.7

21 4.7 4.2 3.9 4.4 5.0 5.3 6.4 5.6 6.4 5.6 8.3 10.6 9.4 10.6 10.6 11.7 10.6 9.7 7.5 5.3 3.1 4.7 2.8 5.0 6.7

22 4.7 4.4 2.8 3.9 3.6 4.4 5.6 8.3 7.5 7.5 10.0 10.0 6.7 10.0 9.4 9.2 7.5 8.3 10.3 6.4 5.6 3.6 3.3 4.4 6.6

23 3.3 5.0 4.2 5.0 3.1 3.9 3.9 4.2 7.8 8.9 8.9 8.3 8.3 11.1 9.7 10.0 9.7 10.8 9.4 8.3 5.3 4.2 4.4 3.3 6.7

24 3.3 3.6 3.6 2.8 3.9 3.6 3.9 4.4 4.7 8.3 10.0 9.4 7.8 7.5 9.4 9.4 8.9 8.3 5.6 4.7 3.6 4.2 3.3 4.4 5.8

25 2.8 1.7 1.9 1.4 1.9 4.4 3.9 5.6 6.9 7.8 8.3 10.8 8.6 10.6 8.9 10.3 7.8 6.9 7.2 5.3 4.7 5.3 3.9 3.3 5.8

26 3.6 4.2 3.9 4.2 4.4 4.2 3.6 3.3 3.6 6.1 6.9 8.9 9.2 8.3 10.0 10.0 10.6 9.4 9.2 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 6.3

27 5.3 5.6 6.1 5.6 6.7 6.1 6.4 5.6 4.7 6.9 10.0 11.1 9.4 9.2 7.8 8.1 8.3 8.3 7.5 5.8 6.4 6.9 5.6 5.3 7.0

28 5.6 5.0 5.0 5.8 5.6 5.0 5.6 5.3 5.8 6.4 6.9 7.5 7.5 8.3 8.1 8.1 8.9 8.3 8.3 10.3 9.2 6.4 3.9 5.3 6.7

29 5.3 5.6 5.6 4.2 4.2 3.9 3.9 3.3 4.7 6.7 8.6 9.4 8.6 7.8 8.6 8.9 9.2 9.2 8.3 7.5 3.9 3.3 5.6 4.4 6.3

30 4.2 3.1 2.5 3.9 4.2 4.4 4.2 4.2 4.4 6.1 9.2 11.1 9.4 8.9 8.9 8.3 7.8 8.9 6.1 3.6 1.7 1.9 1.4 1.7 5.4

31 0.8 2.2 2.8 2.8 3.1 3.6 3.6 3.6 5.6 8.3 8.9 10.0 8.6 8.3 8.9 8.3 9.7 9.2 8.9 6.7 3.1 4.2 4.2 4.2 5.8

Prom. Mensual

por hora3.9 4.1 4.0 3.9 3.8 3.9 4.2 4.4 5.5 7.4 9.0 9.7 9.1 9.7 9.6 9.5 9.0 8.7 7.9 6.8 4.9 4.5 4.1 3.7 6.3

Prom.

Velocidad

diurna

Patrón diario de la velocidad de viento en Yashila, Octubre 1985-Piura

v = 6.3 m/s

Velocidades mensuales promedio del viento enYashila-Piura, año 1985

Frecuencia de la velocidad de viento en Yashila-Piura, Octubre 1985

Histograma de la duración en Yashila-Piura en Octubre 1985

Histograma de la distribución acumulativa en Yashila-Piura en Octubre 1985

CURVA WEIBULL DE FRECUENCIA DE VELOCIDAD DE VIENTO EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD DE VIENTO ADIMENSIONAL X=V/V PARA

FIFERENTES VALORES DEL FACTOR K.

DISEÑO DEL ROTOR

CAP.4 DISEÑO DEL ROTOR

Potencia de rotor eólico en función de su velocidad angular, a una velocidad de viento determinada

Torque de rotor en función de su velocidad angular para una velocidad de viento determinada

Potencia y torque de un rotor eólico para diversas velocidades de viento

Teoría del ala. Definiciones

P=Q* (4.1)P

Coeficiente de potencia Cp = ----------- (4.2)½ A V3r

QCoeficiente de torque Cq = ----------- (4.3)

½ A V3 R

R

Celeridad =------- (4.4)V

Donde: el área del rotor A = R2

Reemplazando estas expresiones en 4.1 resulta:Cp = Cq * (4.5)

0.5CQ arr = --------- (4.6)

d2

Curvas de potencia y torque adimensionales para dos velocidades para dos rotores eólicos en función de la celeridad

Teoría del ala

L

Coeficiente de sustentación Cl = --------------- (4.7)

½ A V2

D

Coeficiente de arrastre Cd = --------------- (4.8)

½ A V2

Resultados de la interacción de diferentes objetos colocados ante flujos uniformes

Coeficientes de sustentación y arrastre de un perfil aerodinámico determinado

Valores típicos de la relación Cd/Cl,α, y Cl para un número de perfiles. La

curvatura La curvatura de las placas curva se define como la relación de su

espesor proyectado y su cuerda.

Geometría de los perfiles Cd / Cl Cl

Placa plana 0.1 5º 0.8

Placa curva

(10 % curvatura)

0.02 3º 1.25

Placa curva con tubo en lado cóncavo 0.03 4º 1.1

Placa curva con tubo en lado convexo 0.1 14º 1.25

Perfil NACA 4412 0.01 4º 0.8

La velocidad de viento W vista en una sección de la pala a una distancia r del eje es la suma vectorial de un componente de la dirección de la velocidad del

viento y un componente en el plano del rotor

Creación de una estela rotante detrás de la velocidad del viento

Influencia del número de aspas B y relación arrastre/sustentación Cd/Cl en el máximo coeficiente de potencia obtenible para cada

celeridad (Tomado del libro de texto)

Ángulo de ataque α y ángulo de montaje β de la pala de un rotor eólico

Guía para la selección de la celeridad de diseño y el número de palas

1 6 – 20

2 4 - 12

3 3 - 6

4 2 - 4

5 - 8 2 - 3

8 - 15 1 - 2

Diseño del rotor-Cuerda variable

E = 0.1* R2 * V3 *T (kWh) (4.9)

Se presentan a continuación cuatro formulas para determinar y c:

8rCuerda : c = --------(1 – Cos ) (4.10)

B Cld

Angulo de la cuerda con plano de rotación : = - (4.11)

Angulo del flujo : = 2/3 arctan 1/ r (4.12)

Celeridad de diseño : rd = d * r/R (4.13)

El procedimiento de diseño se describirá con la ayuda de un ejemplo, en este caso, de un diseñador de rotor de A. Kragten en la Universidad de tecnología de Eindhoven, Holanda, como parte del programa SWD (19). El rotor está diseñado para accionar una bomba de pistón alternativo

.R = 1.37B = 6d = 2Cl = 1.1 Perfil de placa curva (10 % de curvatura)

d = 4º con tubo en lado cóncavo

Cálculo de la cuerda y ángulo de montaje para un rotor de Ø 2.74 m con un coeficiente de sustentación constante

Posición r(m) rd º C(cm)

1 0.34 0.5 42.3° 4º 38.3 0.337

2 0.68 1.0 30.0° 4º 26.0 0.347

3 1.03 1.5 22.5° 4º 18.5 0.298

4 1.37 2.0 17.7° 4º 13.7 0.247

Formas de pala y ángulos de montaje en cuatro posiciones distintas a lo largo de la pala

Primeros resultados de ensayos con palas simétricas y asimétricas

y = -0.0025x3 + 0.0204x2 - 0.0144x + 0.0035R² = 0.9199

R² = 0.9911

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 1 2 3 4 5 6 7 8

simetrico

asimetrico

Poly. (simetrico)

Poly. (asimetrico)

Diseño del rotor-Cuerda constante

8r

CL = --------(1 – Cos ) (4.14)B c

Debido a variaciones en el coeficiente de sustentación, sólo pueden ser logrados mediante variaciones en el ángulo de ataque, se necesita una quinta relación, en adiciòn al conjunto de cuatro ecuaciones (4.10) a (4.13). La relación es:

CL = CL ( ) (4.15)

Coeficiente de sustentación de una placa curva (10% de curvatura) con tubo en el lado cóncavo

Cálculo del coeficiente de sustentación, α y β, para una placa de cuerda constante de un rotor SWD 2740 de 6 palas.

Posición r (m) rd c (m) CL escogida

1 0.50 0.73 35.9° 0.324 1.23 6.4 29.5 27

2 0.86 1.26 25.7° 0.324 1.10 3.6 22.1 23

3 1.22 1.78 19.6° 0.324 0.91 0.2 19.3 19

Forma de la pala y ángulo de montaje de un rotor de 6 palas para un molino de viento

Curva Cp λ para un rotor de 6 palas SWD 5740 con una placa de forma curva

28.04.15

Molino de

viento en

Miramar,

Piura.

28.04.15

Fabricado en madera, lleva empaquetaduras de cuero y válvula de cuero.

Se desliza en tubo de metal.

Embolo de una bomba en molinos de Miramar.

Molinos artesanal e industrial desarrollados por Itintec

28.04.15

Preparando una bomba con camiseta de plástico, para ser colocada luego en aerobomba instalada en comunidad de La Libertd.

28.04.15

Bombas con cuerpo de plástico preparadas para se instaladas en pozos de mayor profundidad.

28.04.15

Banco de pruebas para ensayos de bombas aspirante-impelente. Se pueden realizar ensayos de comportamiento y de vida.

Permite variar la velocidad de rotación y la presión de dscarga. Se mide la potencia absorbida y entregada.

Se puede programar ensayos largos y estudiar desgaste.

COSTOS ANUALES DEL BOMBEO EÓLICO

0 6 9 12

Tecn

olo

gía

art

esa

nal

mejo

rada

B

0

100 A

200

300

400

500

C

600

242018

Inve

rsió

n inici

alTecn

olo

gía

sem

i-in

dust

rial

Cos

to to

tal

Operación y mantenimiento

CAP.5. GENERADORES

Resultados de ensayos realizados en el Laboratorio de Energía FIM-UNI

R² = 0.992

R² = 0.9898

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

400.00

450.00

500.00

550.00

600.00

650.00

700.00

750.00

800.00

850.00

900.00

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

P

o

t

e

n

c

i

a

(

w)

y

e

f

i

c

i

e

n

c

i

a

Velocidad angular (RPM)

Caracterización Generador de imanes permanmentes

pelectr

eficiencia

Linear (pelectr)

Poly. (eficiencia)

Cap. 6Acoplamiento de un generador a un rotor eólico

6.1 Rotor eólico y generador con características conocidas

Cuando se conocen ambas curvas: rotor eólico y generador, la única variable que se

deja es la relación de transmisión de la caja de engranajes. Esta caja es necesaria para

aumentar la velocidad de rotación del rotor a valores adecuados para mover el

generador (generalmente 1000 a 1500 r.p.m). Es así que nosotros podemos dibujar un

número de curvas potencia-velocidad del generador para diferentes relaciones de

transmisión i, con la finalidad de encontrar una que es cercana a la curva óptima de

potencia dl rotor.(fig. 9.1) para velocidades de viento alrededor de la velocidad promedio

de la localidad.

*El factor de potencia cosø se define como la relación entre la potencia real y la potencia

aparente (watts/voltamperio).

Fig. 6.1 Rotor eólico acoplado a diferentes generadores:Velocidad sincrónica fija (_____) y asincrónica (------) de un generador acopladodirectamente a la red.Generador síncrono de velocidad variable más conversor AC/DC/ACMáquina conmutadora de velocidad variable.

Parámetro conocido Parámetro desconocido

Generador Pr , nr , nG (nr),

Pmec (nin ), nin

Qstart

Rotor CPmax d ,

Caja engranajes

Regímenes de viento

ntr

Vin , Vr

I

Vstart

Fig. 6.2 Encontrando la

relación potencia de salida-

velocidad de viento de un

generador

acoplado a un rotor eólico.

6.2 Diseño de un rotor para un generador de velocidad variable

Fig. 6.2 Ejemplo típico de la curva de potencia de salida de una turbina eólica, en este caso una turbina Sueca de 60 kW. El intervalo de tiempo escogido para medir la salida y la

Velocidad de viento fue de 10 minutos, de acuerdo a los estándares internacionales.