Energía eolica parte 1

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Proyecto de investigación: Energía eólica

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Conceptos

La energía eólica es una fuente de energía renovable que utiliza la fuerza del viento para generar electricidad. El principal medio para obtenerla son los aerogeneradores, “molinos de viento” de tamaño variable que transforman con sus aspas la energía cinética del viento en energía mecánica. La energía del viento puede obtenerse instalando los aerogeneradores tanto en suelo firme como en el suelo marino.

Un aerogenerador es una máquina que transforma la energía del viento en energía eléctrica aprovechable mediante unas aspas oblicuas unidas a un eje común, es la versión moderna de un molino de viento antiguo.

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Los gradientes de presión

Los movimientos de masas de aire tienden a compensar las diferencias de presión, de modo que, a mayor gradiente de presión, mayor velocidad del viento.

Variación vertical del viento

La variación vertical del suelo está estrechamente relacionada con los gradientes verticales de temperatura, es decir, con la estabilidad atmosférica. La velocidad del viento varía de acuerdo a la altura sobre el suelo en forma exponencial. No obstante, para fines prácticos, la ecuación que se en utiliza es la siguiente.

𝑉𝑉𝑜=( 𝐻𝐻𝑜)

𝑛

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La potencia eólica.

Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) actuando sobre las placas del rotor. La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área de barrido del rotor y de la velocidad del viento. Una masa de aire en movimiento a una velocidad v tiene una energía cinética: 

La energía cinética por unidad de volumen será , siendo la densidad del aire, que a efectos prácticos puede suponerse constante.

El flujo de aire a través de una superficie es

La potencia eólica disponible en una sección de área A perpendicular a la corriente de aire con velocidad v será el flujo de energía cinética, es decir:

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Variación de la potencia disponible en el generador en función de la velocidad del viento y el diámetro del rotor.

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Teoría de la cantidad de movimiento y la Ley de Betz

El aire es considerado como un fluido ideal sin viscosidad en todo el campo fluido excepto en las proximidades del rotor.

El fluido es considerado incompresible. El viento se moverá a régimen subsónico, por lo tanto, la densidad podemos tomarla como constante. El problema térmico, además, estará desacoplado del problema fluido dinámico.

El estudio se realizará en régimen estacionario. Las variables dependerán del punto de trabajo que se tome y no del tiempo.

No se considera la velocidad de giro del rotor ni la de su estela. Se considera al rotor como un disco poroso fijo, compuesto por infinitas palas de

espesor despreciable. Las magnitudes empleadas para representar las variables fluidas en una sección

recta determinada del tubo de corriente considerado son magnitudes equivalentes de su perfil de distribución a lo ancho de dicha sección considerada.

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La longitud L recorrida será:

La masa de aire contenida en el cilindro será:

Y la energía cinética asociada a la misma,

Y la potencia,

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Las ecuaciones para aplicar son las siguientes:

1) Ecuación de continuidad

2) Gasto másico

3) Fuerza sobre el rotor

4) Ecuación de Bernoulli

1. Entre A1 y la sección anterior del disco

2. Entre la sección posterior del tubo y A2

5) Presiones

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Restando sobre la ecuación de Bernoulli, se obtiene:

 

 

La fuerza sobre el rotor será:

Despejando v se obtiene que:

La potencia absorbida por el rotor será el producto de la fuerza ejercida por el viento sobre el rotor por la velocidad del fluido en el rotor.

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La naturaleza variable del vientoLa velocidad del viento en una localización determinada varía continuamente. Hay cambios en la velocidad median anual de año a año, a cambios estacionales (con la estación del año), debidos al tiempo (sinópticos), en bases diarias (diarios), o de segundo a segundo (turbulencias).

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Cálculos aerodinámicos de turbinas eólicas:Teoría unidimensional de aeroturbinas. Límite de Betz

La hipótesis de esta teoría se resume en: Flujo homogéneo, incompresible y en estado estacionario. Se desprecia la fricción del viento sobre las palas Número infinito de palas. No existe estela con rotación detrás del rotor. La presión aguas arriba y aguas debajo de la aeroturbina es igual a la

atmosférica.

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Bajo estas hipótesis, las ecuaciones de conservación de la masa (ecuación de continuidad) y la de conservación de la energía (ecuación de Bernoulli) se pueden escribir como:

Aplicando la conservación de la cantidad de movimiento al tubo de corriente, se obtiene la fuerza de empuje (T, thrust en inglés) que soporta el rotor:¿

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A su vez, el empuje se puede calcular multiplicando la diferencia de presiones a ambos lados del rotor (p1 y p2’) por el área del mismo:

Usando la ecuación de Bernoulli, la formula anterior se puede escribir como:

Igualando las ecuaciones (C) y (D) se obtiene la siguiente relación entre las velocidades:

Lo cual indica que la velocidad del viento en el plano del rotor es la velocidad promedio entre la entrada y la salida del tubo de corriente.

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La fuerza de empuje (T) puede ser escrita utilizando las relaciones anteriores como:

Donde A representa el área del rotor (A2) y U la velocidad del viento incidente (U1)

El límite de Betz y representa la máxima potencia que se puede extraer del viento en una aeroturbina ideal.

En la práctica, una aeroturbina tiene un coeficiente de potencia menor debido a: La rotación de la estela aguas bajo del rotor. El rotor induce un movimiento

de giro en el aire que atraviesa la aeroturbina, lo cual indica una cesión de energía del rotor al aire.

Fricción aerodinámica Número de palas infinito y perdidas en la punta de las mismas.

El valor de CP se puede interpretar como la eficiencia aerodinámica de una aeroturbina ideal. Sin embargo, para calcular la eficiencia global se deberá tener en cuenta el resto de eficiencias (mecánicas, eléctricas, etc.)

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¿Por qué la eólica?

Es limpia Es abundante y confiable Es económica Funciona Crea empleos De bajo impacto Es segura Es popular

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Viabilidad en México

• El primer campo eólico en México fue el de La Venta, en Oaxaca.

• Las energías limpias y renovables son esenciales para transitar hacia una forma de energía limpia, que permita propiciar un equilibrio para el desarrollo sustentable.

• Los costos de su generación se han reducido durante los últimos tres lustros y actualmente son competitivos en comparación con fuentes convencionales de energía.

• En 2010, México tenía una capacidad instalada en operación de 519 megawatts (MW) de energía eólica, y la previsión era que para 2011 se duplicará y para 2015 se multiplique al menos por cinco.

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Viabilidad en México

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Aplicaciones en la industria

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Referencias

Talayero, A. Telmo, E. (2008). Energías renovables. Energía Eólica. Zaragoza España: Prensas Universitarias de Zaragoza.

Fernández, J.M. (2011). Guía completa de la energía eólica. Madrid: AMV Ediciones.

Madrid V. (2009). Energías renovables: fundamentos, tecnologías y aplicaciones : solar, eólica, biomasa, geotérmica, hidráulica, pilas de combustible, cogeneración y fusión nuclear. Madrid: AMV Ediciones: Mundi-Prensa.

Jiménez Arturo (2016). México, al top 10 en energía eólica en 2017. Recuperado el 23 de octubre de 2016. URL: http://mundoejecutivo.com.mx/economia-negocios/2016/02/24/mexico-top-10-energia-eolica-2017

(s.a.)(s.f) Energía eólica. Recuperado el 23 de octubre de 2016. URL: http://www.pwc.com/mx/es/industrias/perspectiva-industrial/marzo/eolica.html