UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 1/60 12 Noviembre 2008 Generación Eoloeléctrica Moderna Moderna Oscar A. Jaramillo.

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 1/60 12 Noviembre 2008 Generación Eoloeléctrica Moderna Moderna Oscar A. Jaramillo Salgado Coordinación de Concentración Solar ojs@cie.unam.mx

2 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 2/60 ¿De dónde viene la energía eólica? Todas las fuentes de energía renovables provienen del Sol que irradia 174,423x10 9 kWh hacia la Tierra. Alrededor de 1 a 2 % de esta energía se convierte en energía eólica. Imagen de rayos infrarrojos de la superficie del mar (tomada de un satélite de la NASA, NOAA-7, en julio de 1984). Las diferencias de temperatura conllevan la circulación del aire de la atmósfera. Las regiones cercanas al ecuador son reciben mayor energía solar que el resto de las zonas del globo.

3 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 3/60 Nonequilibrium Thermodynamics for Solar Energy Applications, J.M. Gordon Energía eólica (una máquina térmica solar) Fuente de calor: Radiación solar Fluido de trabajo: Atmósfera terrestre Trabajo producido: Viento Sumidero de calor: Universo 3K

4 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 4/60 Aplicando la primera ley de la termodinámica considerando un ciclo Así, la potencia instantánea es

5 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 5/60 Por otro lado, considerando un proceso reversible, el cambio de entropía por unidad de área se expresa como La máxima potencia sujeta a la restricción entrópica, se obtiene al introducir el multiplicador de lagrange y al definir el Langrangiano modificado L de la forma, Encontrando el máximo,

6 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 6/60 Considerando el valor medio de la forma: y el cambio de entropía por unidad de área Así, el máximo para las dos ramas del modelo se tiene,

7 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 7/60 La solución del sistema de ecuaciones Y la potencia por unidad de área es entonces, Comparación con datos medidos hasta los 88 km por encima del nivel del mar la composición de la atmósfera es sustancialmente la misma que al nivel del suelo

8 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 8/60 La fuerza de Coriolis En el hemisferio norte el viento tiende a girar en el sentido contrario al de las agujas del reloj (visto desde arriba) cuando se acerca a un área de bajas presiones. En el hemisferio sur el viento gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de áreas de bajas presiones.

9 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 9/60 ¿Cómo afecta la fuerza de Coriolis a los vientos globales o geostróficos? Latitud 90-60°N 60-30°N 30-0°N 0-30°S 30-60°S 60-90°S Dirección NE SO NE SE NO SE

10 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 10/60 Vientos de superficie Los vientos están influenciados por la superficie a altitudes de hasta 100 metros. El viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos.

11 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 11/60 Energía del viento De la energía cinética. La masa del aire contenida en un volumen V es: y considerando que el aire se mueve con la velocidad v = xt La energía que contiene el viento es

12 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 12/60 Máxima Extracción de Energía Coeficiente de Betz De la segunda ley de Newton, se desprende una relación para la velocidad v De la energía cinética por unida de masa se tiene, Considerando que la conservación de masa

13 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 13/60 De esta manera se obtiene que La velocidad v 2 y v son expresadas en términos de v 1 mediante un parámetro a La potencia P se escribe como y para obtener la máxima potencia El límite superior de la extracción de potencia de una turbina de sección transversal A se llama Límite de Betz

14 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 14/60 Función de densidad de potencia: Potencia del viento

15 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 15/60 Historia del uso de la energía eólica La historia de la energía eólica o de los vientos se remonta al año 3 500 a.C., cuando los sumerios armaron las primeras embarcaciones de vela. Después, los griegos construyeron máquinas que funcionaban con el viento. La historia del molino de viento es confusa. Hay quienes afirman que el primero de estos molinos surgió en Seistán, Persia (hoy Irán), aunque parece que existen indicios anteriores de su existencia en la isla griega de Myconos.

16 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 16/60 Pioneros de la turbina eólica Charles F. Brush (1849-1929) Poul la Cour (1846-1908)

17 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 17/60 F.L. Smidth Johannes Juul y las turbinas Vester Egeborg La turbina Riisager La máquina TvindBonus 30 kW

18 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 18/60 Diferentes configuraciones de aspas (palas) para los rotores.

19 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 19/60

20 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 20/60

21 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 21/60 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Medición de la velocidad del viento: anemómetros Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmente usando un anemómetro de cazoletas. Este anemómetro tiene un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El número de revoluciones por segundo son registradas electrónicamente. Normalmente, el anemómetro está provisto de una veleta para detectar la dirección del viento.

22 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 22/60 Las velocidades del viento se ven afectadas por la fricción con la superficie terrestre. Rugosidad y cizallamiento del viento La gráfica muestra como varía la velocidad del viento en una rugosidad de clase 2 (suelo agrícola con algunas casas y setos de protección a intervalos de unos 500 metros), considerando que el viento sopla a una velocidad de 10 m/s a 100 m de altura.

23 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 23/60 Perfil idealizado sobre el terreno

24 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 24/60 Variabilidad de la velocidad del viento

25 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 25/60 Descripción de las variaciones del viento: distribución de Weibull

26 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 26/60

27 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 27/60 Mapas eólicos

28 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 28/60 Selección del emplazamiento de un aerogenerador

29 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 29/60

30 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 30/60 Efecto de la estela Un aerogenerador siempre va a crear un abrigo en la dirección a favor del viento. De hecho, habrá una estela tras la turbina, es decir, una larga cola de viento bastante turbulenta si se compara con el viento que llega a la turbina.

31 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 31/60 Distribución del parque eoloeléctrico

32 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 32/60 Efecto túnel y efecto colina Efecto túnel. El aire se comprime en la parte de la montaña que está expuesta al viento, y su velocidad crece entre los obstáculos del viento. Efecto colina. El viento es comprimido en la parte de la montaña que da al viento, y se expande al descender hacia la zona de baja presión por la ladera a sotavento de la colina.

33 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 33/60 Obstáculos del viento

34 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 34/60 Selección del emplazamiento de la central eoloeléctrica

35 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 35/60 Componentes de un aerogenerador

36 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 36/60 Aspas (palas) del aerogenerador

37 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 37/60 Aspas (palas) del aerogenerador

38 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 38/60 Mecanismos de control El Mecanismo de orientación mecanismo de orientación de un aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento. En un aerogenerador de regulación por cambio del ángulo de paso, el controlador electrónico de la turbina comprueba varias veces por segundo la potencia generada

39 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 39/60 Generación eléctrica

40 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 40/60 Curva de potencia de un aerogenerador y cálculo de la energía

41 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 41/60 Tamaño de aerogeneradores

42 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 42/60

43 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 43/60 Torres de aerogeneradores En los grandes aerogeneradores las torres tubulares pueden ser de acero, de celosía o de hormigón. Las torres tubulares tensadas con vientos sólo se utilizan en aerogeneradores pequeños (cargadores de baterías, etc.).

44 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 44/60 Instalación de aerogeneradores

45 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 45/60 Centrales Eoloeléctricas Modernas

46 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 46/60

47 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 47/60 Incendio por descarga atmosférica

48 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 48/60 Impacto Ambiental El proceso de conversión viento-electricidad: - No libera gases de efecto invernadero. - No emite contaminantes atmosféricos. - No utiliza agua. - No genera residuos peligrosos. La fuente de energía (el viento): - Es inagotable ya que se deriva de procesos atmosféricos perennes. - Está en la superficie y no requiere procesos de extracción. - Su manejo y posibles accidentes en su explotación no implican riesgos ambientales de alto impacto, tales como derrames por transporte, explosiones, incendios, etcétera.

49 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 49/60 Generación de Ruido Para que las centrales eoloeléctricas no ocasionen molestias de ruido a sus vecinos, algunos países han emitido normas ambientales que limitan su cercanía a lugares habitados.

50 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 50/60 Colisión con aves, rutas migratorias.

51 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 51/60 Impacto visual La percepción visual depende de: La percepción visual depende de: El tamaño. El tamaño. El diseño. El diseño. El número de aspas. El número de aspas. El color. El color. El número de turbinas. El número de turbinas. La distribución. La distribución. El movimiento de las aspas. El movimiento de las aspas. La percepción individual depende de: La percepción individual depende de: Qué tanto se está involucrado con esta tecnología. Qué tanto se está involucrado con esta tecnología. Qué tipo de energía se desea. Qué tipo de energía se desea. La oposición a nuevas estructuras cambia una vez que estas se vuelven familiares. La oposición a nuevas estructuras cambia una vez que estas se vuelven familiares.

52 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 52/60 Aspectos económicos de la energía eólica Indicadores del costo nivelado de producción para costos de inversión entre 800 y 1,100 USD/kW

53 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 53/60 Europa: 56,500 MWe - Producing 119x10 9 kWh/y Capacidad de la energía eólica instalada TOTAL MUNDIAL: 106, 000 MWe (Octubre 2008)

54 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 54/60 Vindeby en Dinamarca. Tuno Knob en Dinamarca. Middelgrunnden cerca de Copenhagen

55 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 55/60 Horns Rev en aguas de Dinamarca.

56 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 56/60 Situación En México Sitios con información anemométrica recabada por el IIE y CFE

57 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 57/60 · Regiones potenciales

58 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 58/60 Central eólica la Venta I Central eólica la Venta II Comisión Federal de Electricidad

59 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 59/60 El viento y la diversificación energética en el SEN Hidroeléctrica Gas, Diesel, Combustóleo Carbón 10 TWh Nuclear Geotermia 6 TWh 201 TWh 100% 73.9% 8.3 % 5.2 % 3.1 % 9.5 % ENERGIA PRODUCIDA EN EL SEN DURANTE EL AÑO 2003 Viento 2 MW 0.01 TWh < 0.003% 17 TWh 148 TWh 19 TWh LA CONTRIBUCIÓN DEL PROYECTO LA VENTA II SE ESTIMA EN 325 GWH ANUALES CON 85 MW INSTALADOS.16% Viento 85 MW 325 GWh

60 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 60/60 Investigación y Desarrollo en varias ramas de la ingeniería Creación de nuevos empleos. Impulso al desarrollo regional. Atracción de la inversión privada. Contribución a reactivar la planta productiva. Creación de pequeñas y medianas empresas Abastecimiento de electricidad utilizando fuentes locales de energía. Ahorro de combustibles fósiles Disminución de riesgos en el abastecimiento de energéticos.  La generación eoloeléctrica fomenta

61 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA 61/60 Oscar Jaramillo ojs@cie.unam.mx