Diseño de soluciones energéticas: Principios de energía solar y eólica Angélica Pedraza Universidad de los Andes 10 Octubre de 2014.

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1 Diseño de soluciones energéticas: Principios de energía solar y eólica Angélica Pedraza Universidad de los Andes 10 Octubre de 2014

2 Parte I. Energía Eólica Temas relacionados Teoría relevante Variables medio ambientales Plan de monitoreo Parte II. Energía Solar Teoría relevante Caso de estudio (monitoreo) Contenido

3 Parte I. Energía Eólica

4 Técnicos. Meteorología Análisis estadístico de datos Dinámica de fluidos atmosférica Sistemas eléctricos – distribución – control - calidad Electrónica de potencia Instrumentación – scada Transmisión y almacenamiento de datos Diseño aerodinámico Procesos de manufactura y nuevos materiales Análisis y diseño de estructuras Temas relacionados Parte I. Energía Eólica

5 Sociales. Aplicación. Población. Daño ambiental/ contaminación Económicos. Costo de estudios de pre-factibilidad Recursos presentes en el área Precio del kWh a competir Costo de implantación y tiempo de retorno Temas relacionados Parte I. Energía Eólica

6 Teoría Relevante Energía Cinética (Viento) Energía Mecánica (Turbina) Energía eléctrica (Generador)

7 Parte I. Energía Eólica Teoría Relevante Tomada de: http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/00_POLICY_document/Economics_of_Wind_Energy__March_2009_.pdfhttp://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/00_POLICY_document/Economics_of_Wind_Energy__March_2009_.pdf

8 Teoría Relevante Parte I. Energía Eólica

9 Teoría Relevante DENSIDAD DEL AIRE A DIFERENTES ALTURAS SOBRE EL NIVEL DEL MAR Altura sobre el Nivel del mar en m Densidad del Aire Seco en Kg/m 3 a: 20°C0°C 0 1,2041,292 500 1,1341,217 1000 1,0681,146 1500 1,0051,078 2000 0,9451,014 2500 0,8870,952 3000 0,8330,894 3500 0,7810,839 4000 0,7320,786 San Juan de Pasto 2527 msnm 26% Menor

10 Parte I. Energía Eólica Teoría Relevante El viento se ve afectado por: Altura Topografía Temperatura Humedad

11 Parte I. Energía Eólica A B Velocidad de viento (m/s) A =15,52100 B =11,5900 Teoría Relevante Tomada de: Renewable Energy Handbook (2009)

12 Parte I. Energía Eólica Variables medio ambientales Temperatura f (Latitud y altura snm) Afecta directamente la velocidad del viento por fenómenos de radiación solar, absorción y irradiación. Patrón global de circulación de vientos.Patrón de brisa marina.

13 Parte I. Energía Eólica Variables medio ambientales Topografía Aire en movimiento, f (T, Latitud, precipitación) Tierra o masas de agua Perfiles de Velocidad de viento, en función de características topográficas. Pinilla A. (1997)

14 Parte I. Energía Eólica Variables medio ambientales Tomada de: Pinilla A. (2005)

15 Parte I. Energía Eólica RELACIONES GENERALES ENTRE VIABILIDAD Y VELOCIDAD DE VIENTO PARA SU USO COMO FUENTE DE ENERGÍA Promedio Anual Velocidad de Viento a 10 metros de altura Viabilidad de Uso de Energía Eólica Menor a 3 m/sUsualmente no es viable, a menos que existan circunstancias especiales para una mejor evaluación 3 - 4 m/sPuede ser una buena opción para equipos de aerobombeo, poco viable para aerogeneración eléctrica 4 - 5 m/sAerobombas son competitivas económicamente a los equipos Diesel, bombeo aero-eléctrico es viable Más de 5 m/sViable para aerobombeo y aerogeneración eléctrica Más de 6 m/sViable para aerobombeo, aerogeneración con sistemas autónomos y para sistemas conectados a la red eléctrica. Variables medio ambientales

16 Parte I. Energía Eólica Plan de monitoreo Acercamiento numérico. MCP (Measure Correlate Predict) WRF (Weather Research and Forecasting) NWP (Numerical Weather Prediction)

17 Parte I. Energía Eólica Plan de monitoreo Seleccionar lugares representativos de áreas desarrollables – indicios (arboles). Número de anemómetros depende de: Tamaño de la Región Tamaño de la Región Topografía Topografía Propósito de la Evaluación Propósito de la Evaluación Presupuesto/Cronograma Presupuesto/Cronograma

18 Parte I. Energía Eólica Plan de monitoreo

19 Parte I. Energía Eólica Plan de monitoreo Equipos de medición Torres anemométrica (10m - 40m - 60m - 80m- 100m) Torres anemométrica (10m - 40m - 60m - 80m- 100m) Anemómetro de cazoleta Anemómetro de cazoleta Veleta de medición de la dirección Veleta de medición de la dirección Data Logger (NRG, Zond, Campbell) Data Logger (NRG, Zond, Campbell) Cableado Cableado Estacas de montaje de sensores y equipos Estacas de montaje de sensores y equipos Caja de protección para proteger el Logger Caja de protección para proteger el Logger Protección de Rayos Protección de Rayos Memoria de almacenamiento de datos Memoria de almacenamiento de datos Software y Hardware de apoyo para procesar datos Software y Hardware de apoyo para procesar datos

20 Parte I. Energía Eólica Plan de monitoreo Análisis de datos y evaluación Para un análisis básico - Velocidad promedio mensual - Distribución de frecuencia de Viento Anual - Rosa de vientos anual - Variaciones interanuales, si es posible - Estimativos de Producción de Energía (incluyendo perdidas) Para análisis más profundo, evaluar además: - Distribución Conjunta de Viento y dirección - Cortante de Viento (Perfil con altura) - Variaciones Diurnas - Intensidad de Turbulencia

21 Parte I. Energía Eólica Plan de monitoreo SITIO ELEGIDO: EVALUACIÓN DEL RECURSO Número de anemómetros requeridos Depende del terreno, de las características del viento y tamaño de turbinas eólicas Depende del terreno, de las características del viento y tamaño de turbinas eólicas Guía General Tipo de Terreno Lugares de Turbinas por anemómetro Plano25 - 35 Sinuoso4 - 10 Complejo2 - 5

22 Parte I. Energía Eólica Plan de monitoreo SITIO ELEGIDO: EVALUACIÓN DEL RECURSO Datos medidos a la altura del buje de la turbina Instalar los anemómetros donde se planean las turbinas Instalar algunos anemómetros donde no se afecten por futuras turbinas Duración de medición depende de datos existentes y características del recurso Un año de datos – Intervalo de confianza de 90% que la velocidad promedio del viento este dentro del 10% del promedio de largo plazo (15 - 20% ENERGIA) Cinco años de datos – Intervalo de confianza de 90% que la velocidad promedio del viento este dentro del 5% del promedio de largo plazo (7.5 - 10% ENERGIA)

23 Parte II. Energía Solar

24 Parte I. Energía Eólica Temas relacionados Teoría relevante Variables medio ambientales Plan de monitoreo Parte II. Energía Solar Teoría relevante Caso de estudio (monitoreo) Contenido

25 Parte II. Energía Solar Teoría Relevante Producción en Alemania Energía Solar: 18 TWh @2012 Energía Eólica: 53,4TWh @2013 Comparación fuentes convencionales de producción energética y Energía solar Tomado de: SEI.org, 2012 Tomado de: EWEA The European Wind Energy Association (2013) Tomado de: Memorias al congreso de la republica (2012-2013)

26 Parte II. Energía Solar Teoría Relevante Algunas definiciones

27 Parte II. Energía Solar Teoría Relevante Piranómetro Radiación Solar Energía Requerida Comportamiento de los equipos Área disponible Análisis económico

28 Parte II. Energía Solar Teoría Relevante 4,5° Inclinación

29 Parte II. Energía Solar Caso de Estudio Sistema de generación PV, Edificio Mario Laserna Potencia nominal =1.8kWp 10 Paneles (180Wp) 2007

30 Parte II. Energía Solar Caso de Estudio Tarjeta de adquisición de datos Banco de Baterías Arreglo PV Inversor Piranómetro Termocupla HUB MATE Controlador

31 Parte II. Energía Solar Caso de Estudio

32 Parte II. Energía Solar Caso de Estudio Rango de operación del Banco de baterías.

33 Parte II. Energía Solar Caso de Estudio

34 Parte II. Energía Solar Caso de Estudio Relación de Radiación contra Eficiencia

35 Parte II. Energía Solar Caso de Estudio