Wind Power

Extrayendo energía del viento Desde la tradición hasta la alta tecnología

Introducción (1/2)

• La energía eólica no es solamente una opción para el futuro, es una realidad. • La industria de la energía es una de las de mayor crecimiento en el mundo con tasas de crecimiento anual en instalaciones del orden de 20%. • La capacidad instalada actual en el mundo (>48,000MW) ya es mayor a la total instalada en México. • En un sitio típico (factor de planta = 35%) la energía eólica ya es competitiva con las mejores opciones convencionales, aún sin considerar el riesgo asociado a la fluctuación de los precios de los combustibles y las externalidades ambientales y sociales. • Se espera que en 2008 la generación de eoloelectricidad sea un 12% más barata que en la actualidad. (BTM Consult, 2004).

Introducción (2/2)

Granjas eólicas comerciales

Danish Offshore Wind Farm Wind Farm in New Zealand

Scottish Wind Farm

Breve historia (1) Molino de viento en Persia

• La primera utilización de la energía parece haber occurido en la región de Persia (Iran)/Afganistán alrededor del siglo 7 d.c. • Los dispositivos utilizados fueron de eje vertical y usaban el arrastre por el viento como fuerza impulsora.

Molino de viento en Afganistán (1977)

Breve historia (2) Típico molino de poste para molienda de granos. Puede rotarse mediante un palo en la parte posterior. No está habitado.

•

•

En Europa, los molinos de viento tuvieron su auge en el siglo 12, cuando decenas de miles de estos dispositivos llenaban los paisajes de Inglaterra, Holanda, Alemania, Dinamarca, entre otros. La tecnología alcanzó un alto nivel de sofisticación y logró mantenerse hasta el siglo 20, cuando la disponibilidad del petróleo barato la reemplazó rápidamente.

El “típico” molino holandés. Se aprecia la estructura trasera que permite girar el molino hacia la dirección del viento. Alberga la vivienda del molinero y el almacén de granos.

Breve historia (3)

Inicio de la tecnología moderna •

•

La tecnología moderna de los aerogeneradores nace paralelamente en Norteamérica (EE.UU.) y en Europa (Dinamarca, Alemania, Rusia) y está enfocada a la generación de electricidad. Avanzó con pocos fondos gracias al entusiasmo de sus promotores.

Pequeño aerogenerador de los hermanos Jacobs en EE.UU. (años 1930)

El aerogenerador de Brush en Cleveland, Ohio (1888). El primero en generar electricidad con el viento. La turbina Gedser (diám. 34m, 200kW) Dinamarca 1956. Remozada en 1977. Nótese los refuerzos mecánicos. La turbina Hütter-Allgaier (diám. 34m, 100kW) Alemania 1973. Contaba ya con muchos elementos tecnológicos usados comercialmente hoy en día.

Breve historia (4)

El primer aerogenerador de una compañía eléctrica •

•

La turbina Smith-Putnam fue el primer aerogenerador con una capacidad de > 1MW; además el primero en haber sido construido y operado por una compañía eléctrica (Morgan Smith, Pensilvania). Operó de 1941 a 1945 con algunas interrupciones. Durante la construcción

En operación sobre la colina “Granpa’s knob” en Vermont.

Principios básicos (1)

Potencial energético del viento Potencia en el viento

P 1 3 = 2 ρv A Rapidez del viento Densidad del aire

Potencia máxima extraíble del viento (Ley de Betz)

 Pgen  1 ρv 3   = 16 27 2 A   max

Principios básicos (2)

Aerodinámica básica de una pala v grande, p pequeño

viento

v pequeño, p grande

BERNOULLI: 1

ρ v2 + ρ gh + p = cte. 2

Principios básicos (3) Funcionamiento de una aspa Sustentación

Arrastre

Principios básicos (4) Fuerzas sobre una pala

L

L = fuerza de sustentación D = fuerza de arrastre Viento

D ángulo de ataque

L = CL(1/2) ρ v 2A D = CD(1/2) ρ v 2

A

Principios básicos (5) Fuerzas sobre una pala

Evolución de los coeficientes de levantamiento y de arrastre con el ángulo de ataque

entrada a la zona de pérdida

CL

CD

10°

≈ 20°

ángulo de ataque

Principios básicos (6) Rotación

Flujo de aire

Fuente: Bergey Windpower

Tecnologías de aerogeneradores •

•

(1/4)

Existen dos enfoques globales: Aerogeneradores de eje horizontal (HAWT) o eje vertical (VAWT). Casi todos los aerogeneradores comerciales operando hoy en día son de eje horizontal y cuentan con tres aspas. Parque eólico comercial.

La “eóle” en Canadá de 4MW. Hasta poco la aeroturbina más grande del mundo. Opera ahora con una potencia reducida de 2.5MW.

Tecnologías de aerogeneradores

(2/4)

Ejemplo de un aerogenerador comercial de 1.3MW (diám. 60m) con control por entrada en pérdidas (“stall”). Fabricante: Nordex

Caja de cambios Anemómetros

Maza

Freno de discos

Aspas

Flecha

Generador eléctrico

Motor con engranaje para giro alrededor del eje vertical.

Tecnologías de aerogeneradores Granjas eólicas en tierra

Granja Eólica “Pincher Creek” (Canadá)

Montaje de un rotor

(3/4)

Tecnologías de aerogeneradores (4/4) Granjas eólicas en el mar (“off-shore”) Granja Eólica “Middelgrunden”

Aerogeneradores: Bonus Capacidad: 40MW (20 turbinas de 2MW c/u) Producción de energía: 9900MWh/año

Primera turbina alemana en el mar (Enercon E-112 4.5MW, Puerto de Emden, Alemania)

Aerogeneradores “grandes” vs. “pequeños”



Control de potencia por “pitch” y “stall” + control electrónico



Orientación activa hacia el viento (servomotores o sistemas hidráulicos)



Frenos aerodinámicos (o pitch)



Freno de disco



Sistema de engranaje



Interconectado a la red eléctrica



Control de potencia por “furling” + control electrónico



Orientación pasiva hacia el viento usando una veleta



Puede prescindir de frenos mecánicos



Ningun sistema de engranaje, generadores con un alto número de polos



Para carga de baterías o bombeo de agua

Pequeños aerogeneradores (1/16) Aerodinámica Fuerzas sobre una pala en rotación

Velocidad del viento

Dado que la velocidad tangencial debida a la rotación aumenta con la distancia radial, tanto magnitud y dirección de la velocidad efectiva del viento varia con la distancia radial

Velocidad del viento efectiva β

viento

Plano de rotación

Pequeños aerogeneradores (2/16) Aerodinámica

Coeficiente de potencia

Pgenerador cp = 1 2 3 ρ π R v1 2

0.6

Existe un curva universal que caracteriza un aerogenerador dado en términos de un solo parámetro (λ ). Esta curva se puede predecir con diferentes enfoques teóricos; el más usado es el Blade Element Momentum (BEM) theory.

0.4

59%

0.5

0.3 0.2 0.1 0

2

4

6

8

λ

diseño

10

12

14

λ

Pequeños aerogeneradores (3/16) Aerodinámica

Cp(λ ) para diferentes tipos

Pgenerador cp = 1 2 2 ρ π R v1 2

0.5

E

D

0.4

B

0.3 C

A

0.2 0.1

0

1

2

A

3

4

B

5

C

6

7

D

TSR λ8 9

E

10

Pequeños aerogeneradores (4/16) Aerodinámica

Potencia vs. revoluciones Potencia [kW]

8 12 m/s 6 10 m/s 4 8 m/s 2

0

6 m/s

0 500

100

200

300

400

Revoluciones/minuto

Pequenos aerogeneradores (5/16) Sistema de frenado (1/2)

Pequenos aerogeneradores

Sistema de frenado (2/2)

(6/16)

Pequeños aerogeneradores

(7/16) Diseño y manufactura de aspas

Diseño de Moldes

Fabricación de Moldes

Ensamble de Aspas

Laminado de Aspas

Pequenos aerogeneradores

(8/16)

Generador eléctrico (1/2)

Generador eléctrico de imanes permanentes de flujo axial

Pequenos aerogeneradores

(9/16)

Generador eléctrico (2/2) • Debe generar suficiente voltage para cargar las baterías aún en bajas revoluciones (de otra manera se ocupa un convertidor DC/DC) • Debe tener pocas pérdidas (requiere alto nivel de voltaje, de preferencia bobinas sin núcleo) • Bajo torque de arranque • Diseño compacto • Fácil fabricación

Pequeños aerogeneradores

(10/16) Caracterización de campo (1/4)

Instalación de un aerogenerador de 20kW en el CIDET (Colombia, NL)

Actividades: • Caracterización en campo de un sistema eoloeléctrico de 1kW para carga de baterías. Desarrollo de un sistema de adquisición de datos. Inferencia de las características aerodinámicas de las aspas originales las manufacturadas en el ITESM. • Caracterización de un sistema de 20kW para interconexión con la red eléctrica. Patrocinio: Conacyt (SEP-Conacyt 2002 y NL-Conacyt 2002). Otras propuestas pendientes.

Pequeños aerogeneradores

(11/16)

Caracterización de campo (2/4) Instalación de una turbina

Pequeños aerogeneradores 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

(12/16)

Caracterización de campo (3/4)

Inversor Sistema eléctrico Controlador de carga Baterías Tierras Pararayos Cableado de la turbina de viento, pararrayos, focos y fotosensor. Tubo Conduit subterraneo

Transductores de potencia (AC y DC)

Anemómetro

Sensor de temperatura

Transductor de frecuencia

Veleta

Sensor Humedad relativa

Sensor de presión Barométrica

Pequeños aerogeneradores

(14/16)

Sistemas eoloeléctricos

Sistema eoloeléctrico para carga de baterías Rotor (3 blades)

Battery bank

Synchronous generator with permanent magnets

CTL

Six-pulse rectifier Charge controller

Pturbine ( ω ,U free )

Pgen/rect ( ω , Z )

PCC/Bat ( ω , Z ( ω ) )

Sistema eoloeléctrico para carga de baterías

Mapa conceptual de la obtención de la curva de potencia del sistema Aerodynamic design/ BEM simulation Electric generator output power Pele

Cp

System Power Curve

Power coefficient

Charge controller power curve

Pcc ( n(Ufree ) )

Pcc (n) Increasing impedance ZL

λ n [RPM]

Tip speed ratio

Paero

Aerodynamic power

Pmech Increasing wind speed Ufree

n [RPM]

Mechanical power required to drive generator

n [RPM] Paero (Ufree , n) = Pmech (n)

Ufree [m/s]

Pele

n [RPM]

Ufree [m/s]

Pequeños aerogeneradores

(16/16) Sistema eoloeléctrico para carga de baterías Puntos de operación

12m /s

Electrom echanical systemcurve

2000

Aerodynamic power [W]

11m /s Constant Reynolds num ber

1500 10m /s

Variable Reynolds num ber

9m /s 1000

M ax. power(var. Re) M ax. power(const. R e) 8m /s

500 7m /s 6m /s 5m /s 0 0

100

200

300

400

n[RPM ]

500

600