Unidad_1._Energia_eolica.pdf

Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Energías renovables 1

Seminario de energía eólica e hidráulica

Unidad 1. Energía eólica

Ingeniería en Energías renovables

5° Cuatrimestre

Programa de la asignatura:



Clave:

TSU: 240920519 / ING: 230920519

Universidad Abierta y a Distancia de México




Índice


Presentación de la unidad

Propósitos de la unidad

Competencia específica

1.1. Principios de la aerodinámica

Actividad 1. Principios de la aerodinámica

1.1.1. Fuentes eólicas

Actividad 2. Factores determinantes del recurso eólico

1.1.2. Características generales del viento

1.2. Leyes de la aerodinámica

1.2.1. Curvas de potencia y ley exponencial de Hellman

Actividad 3. Potencial eólico

1.2.2. Parámetros de diseño, distribución de Rayleigh y distribución de Weibull

Actividad 4. La aerodinámica en los sistemas eólicos

Autoevaluación

Evidencia de aprendizaje. Recursos eólicos en México

Autorreflexiones

Cierre de la unidad

Para saber más

Fuentes de consulta





Presentación de la unidad

Se considera viento a toda masa de aire en movimiento, que surge como consecuencia de la

desigualdad del calentamiento de la superficie de la tierra, de tal forma que se produce un

movimiento de un flujo de viento que posee energía mecánica, misma que es proporcional a su

velocidad y que debido a este principio puede ser aprovechada en muchas aplicaciones, una de

ellas es la denominada energía eólica.

A lo largo de la unidad se abordará el tema de la energía eólica como una fuente natural que es

posible utilizar para producir electricidad, por lo tanto se presentan los principios de la

aerodinámica, así como sus leyes.

También se presenta los principios para identificar las fuentes eólicas en determinados lugares,

características generales del viento y la interpretación de la representación estadística, con la

finalidad de utilizarlo en la construcción de sistemas eólicos, y de esta manera generar energía

eléctrica limpia.

Finalmente, se abordan las características del viento, así como el potencial eólico de una

determinada zona de México, de tal manera que sea sencillo comprender el origen del viento. .

Propósitos

En esta unidad:

Identificarás los principios de la aerodinámica.

Identificarás las características del viento tales como la velocidad y densidad.

Analizarás los factores determinantes que interviene en el recurso eólico de un sitio.

Determinarás la potencia eólica y las variaciones del viento.

Competencia específica

Analizar los principios de la aerodinámica aplicables en sistemas eólicos para identificar las

características del viento en determinadas zonas empleando las curvas de potencia de los

parámetros de diseño y las distribuciones propias del viento.




1.1. Principios de la aerodinámica

La aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos que estudia los gases en movimiento y

las fuerzas o reacciones a las que están sometidos los cuerpos que se hallan en su seno. A la

importancia propia de la aerodinámica hay que añadir el valor de su aportación a la aeronáutica.

La transferencia y conversión de la energía cinética del viento en energía eólica se lleva a cabo

por medio de la rotación del rotor de una turbina y se produce debido a que cuenta con una

paleta que esta inmersa en una corriente de aire y actúa una fuerza que se puede descomponer

en dos componentes: una fuerza ascensional o de sustentación, L, de dirección perpendicular a

la dirección del viento, y una fuerza resistente o de arrastre, D, que está alineada con la

dirección del viento y es perpendicular a la anterior.

En realidad, la fuerza de arrastre actúa sobre cualquier sólido que se desplaza en el seno de un

fluido. Cualquier persona que haya viajado en coche o en tren y haya sacado la mano por la

ventanilla, poniéndola en dirección inclinada con respecto a la dirección de avance, habrá

experimentado la sensación de que la mano tiende a subir y al mismo tiempo, es empujada

hacia atrás, con una fuerza tanto mayor cuanto mayor es el ángulo que la mano forma con la

dirección de avance. Por lo tanto, cualquier objeto sometido a la acción de una corriente de aire

experimenta una fuerza que se puede descomponer en la componente ascensional y en la de

arrastre, perpendicularmente a ella y que tiene la misma dirección que la relativa del viento.

(González, 2009).




Comportamiento del viento en una paleta. Tomado de González, (2009).

En el esquema del comportamiento del viento en una paleta se explica la fuerza que

experimenta el perfil de un ala o paleta que se mueve relativamente a una corriente de aire. (a)

Debido a la posición del perfil con respecto a las líneas de corriente, éstas se aproximan entre

sí en la parte superior, y se alejan en la parte inferior. El alejamiento que experimentan las

líneas de corriente da lugar a que la presión en la parte inferior de la paleta sea mayor que la

que actúa sobre la parte superior; donde las líneas se aproximan. El resultado es un empuje

neto hacia arriba. (b) La fuerza total o resultante, F, se descompone en los componentes de

sustentación, L, que es de dirección perpendicular a la de la velocidad relativa del viento. (c).

Cuando la cuerda de la paleta y la velocidad relativa del viento se encuentran sobre la misma

recta, el ángulo de ataque es cero y a la fuerza de sustentación es pequeña, mientras que la

fuerza de arrastre es despreciable. Al aumentar el valor del ángulo de ataque, crecen la fuerza

de sustentación y arrastre en pérdida, es decir, que el ala no fuese capaz de sostener el avión

en el aire, o que la paleta de una turbina eólica dejase de rotar. (González, 2009).




La magnitud de las fuerzas de sustentación y de arrastre depende la forma del sólido, de su

orientación con respecto a la dirección en que se mueve el viento y de la velocidad del mismo.

A otro tipo de dispositivos se les da una la forma que maximice la fuerza ascensional y minimice

la fuerza de arrastre. A esta forma se le denomina aerodinámica. Las líneas de corriente se

adaptan a la forma del objeto y éste experimenta un empuje mínimo por parte del fluido, tanto si

es el fluido el que se mueve como si es el objeto que se mueve dentro de él con un movimiento

currentilíneo. En la figura de Tipos de sección de una aeropala, se representan distintos tipos

de perfiles o secciones aerodinámicas asimétricos y simétricos de las alas o paletas.

Tipos de sección de una aeropala. (a), (b) y (c) representan tres formas diferentes de perfil aerodinámico

asimétrico, mientras que (d) muestra un perfil de ala simétrico, que es lo que permite que los aviones de

exhibición puedan volar cabeza abajo, o que funcionen las turbinas de Well1. Tomado de González,

(2009). 1 Las turbinas de Well son de diseñadas para convertir la energía mecánica en eléctrica, por ejemplo en

las hidroeléctricas.

Las alas de los aviones y las paletas de las turbinas tienen secciones aerodinámicas similares

a las de las alas de los pájaros. En ellas la fuerza ascensional o de sustentación, que es

perpendicular a la dirección relativa del viento, es máxima, y la resistencia de la ala de

desplazamiento o fuerza de arrastre es mínima. Con ello se mejora la eficiencia con la que la

energía cinética del viento se convierte en energía de rotación de la turbina, y del generador

eléctrico conectado. Se denomina fuerza ascensional o de sustentación porque es la que

permite que un aeroplano despegue del suelo y se sostenga en el aire.

Las magnitudes de las fuerzas de sustentación y de arrastre que experimenta la pala de una

turbina eólica están directamente relacionadas con el valor que alcanza el ángulo de ataque. La

fuerza de sustentación es mínima cuando el ángulo que forma el ala con el vector

representativo de la velocidad relativa del viento es máxima (90°), y máxima fuerza de arrastre.

Las aves ponen sus alas perpendicularmente a su dirección de desplazamiento cuando quieren

posarse. Los aviones, cuando pretenden aterrizar, aumentan el ángulo que forman sus alas con

la dirección de desplazamiento y abren unos alerones, lo que aumenta la fuerza de arrastre y

disminuye la sustentación, con lo que pierden altura y les permite descender.




Cuando un ala de perfil aerodinámico forma un ángulo pequeño con la dirección de la corriente

de aire, es decir, cuando el denominado ángulo de ataque es pequeño, las líneas de corriente

se aproximan al perfil por la parte superior y se alejan algo por la parte inferior. En

consecuencia, al encontrar más resistencia, la velocidad del aire se hace menor, al perder una

parte de su energía cinética por fricción. (González, 2009)

Las propiedades más importantes del aire que afectan al comportamiento aerodinámico son la

presión, temperatura y la densidad.

Propiedades del aire:

Velocidad del viento: en sistemas eólicos se considera que es un parámetro crítico,

esto porque la potencia varía directamente en relación con la altitud sobre el suelo, la

velocidad del viento se ve afectada por la fricción causada por las montañas, edificios,

árboles y otros objetos. Las turbinas eólicas requieren una velocidad mínima para

comenzar a producir energía eléctrica, aproximadamente a partir de 6m/s como mínimo,

en lo referente a sistemas eólicos pequeños, la velocidad del viento es,

aproximadamente, de 3.5m/s como mínimo.

Características del viento: mientras que en las bases de datos del viento nos permiten

obtener datos del aire en movimiento y determinan, a grandes rasgos, el recurso del

viento en una región, rasgos topográficos, flora y estructuras metálicas (torres para

trasmisión de alta tensión eléctrica), pueden mostrar la diferencia entre un recurso eólico

utilizable y uno que no lo es; lo anterior en relación a las velocidades mínimas para

producir energía.

Densidad del aire: la presencia de las temperaturas bajas producen una densidad del

aire más alta, a mayor densidad significa más fluidez de las moléculas en un volumen de

aire dado, al tener más fluidez en las moléculas en un volumen de aire dado al pasar

encima de una pala de la turbina permite un rendimiento más alto de la potencia eólica.

Presión y la temperatura: son las principales propiedad que analizaremos, ya que

estos factores ocasionan que el viento tenga variación con respecto a la densidad del

aire, en valores que pueden oscilar en un 10% a un 15% a lo largo de un año con la

finalidad de considerar la disponibilidad del viento del sitio en que se puede aprovechar

el recurso eólico.

Ejemplo: si se considera el flujo de un fluido entre dos puntos situados a diferente altura

en un campo gravitatorio, suponiendo que dicho fluido se comporte como prácticamente

incompresible, y que el caudal, medido en m3 s-1, se mantiene constante, se debe

cumplir el principio de conservación de la energía, de manera que la suma de todas las

energías que se pueden considerar en el punto 1 del sistema representado en la

siguiente figura debe ser igual a la suma de la energías que el sistema tiene el punto 2

de la misma figura.




Representación del flujo de un fluido incompresible en un campo gravitatorio, entre dos puntos situados a

cotas diferentes, z1 y z2. Las presiones en los puntos 1 y 2 se representan por p1 y p2, mientras que u1 y u2

son velocidades del fluido en dichos puntos. Tomado de González, (2009).

El viento ejerce una presión extraordinaria sobre los objetos que encuentra a su paso, la fuerza

aumenta con el cuadrado de la velocidad del viento o del objeto; este aspecto se debe

considerar en los aerogeneradores, tal como se abordará en la unidad 2. Las formas

aerodinámicas reducen esa fuerza cuyo valor es: F = A x P

Dónde: F = resistencia al avance, o ejercida por el viento.

A = proyección del área del frente de ataque.

P = presión del viento.

En aerodinámica se emplea la siguiente fórmula para medir la presión: P = (Cd * Ro * V2) / 2

Dónde: P = presión del viento (N / m2)

Ro = densidad del aire seco = 1.223 Kg / m3 (1atm y 15ºC)

V = velocidad del viento (m/s)

Cd = coeficiente aerodinámico de resistencia al avance

El interés de que conozcas estas expresiones es que las retomaremos en la siguiente unidad

en el subtema 2.1.1. Procesos dinámicos y mecánicos del viento en un aerogerador.

El coeficiente aerodinámico de resistencia al avance:

Superficie plana = 1.17

Superficies esfera = 0.50

Superficie aerodinámica = 0.05 (para aerogeneradores).

Estas fórmulas se requieren para la conocer la eficiencia de los aerogeneradores y su correcta

implementación considerando los aspectos aerodinámicos del entorno, tales como: edificios,

anuncios, árboles y cualquier objeto que se encuentre en el sitio en cual pretendas instalar un

aerogenerador.




Para recapitular, los principios de la aerodinámica son de gran importancia, ya que su estudio

aporta las bases del comportamiento del viento, de tal manera que la caracterización y datos

estadísticos sean aprovechados como fuente de energía. Uno de dichos principios es el flujo

aerodinámico que es el movimiento de un fluido en el cual cada partícula en el fluido sigue la

misma trayectoria (pasa por un punto articular) que siguió la partícula anterior.

Actividad 1. Principios de la aerodinámica

Bienvenido a la primer actividad de la unidad 1, ahora que ya conoces la energía eólica como fuente natural, te será posible comprender los términos empleados para sistemas eólicos relacionados con la aerodinámica y las características del viento, de tal manera que conceptualmente y para visualizar este tema importante debes desarrollar lo siguiente: 1. Elabora un mapa conceptual en el que representes los principios fundamentales de la

aerodinámica:

velocidad

densidad

presión

2. En el mismo documento del mapa mental, relaciona la energía eólica y la aerodinámica.

3. Escribe un breve ensayo de la importancia de la energía eólica.

4. Envía tu documento al Facilitador(a), por medio de la herramienta de Tarea, y espera su retroalimentación. El nombre de tu archivo debe ser EEH_U1_A1_XXYZ.

1.1.1. Fuentes eólicas

Una fuente eólica se origina debido a que la Tierra funciona como una máquina térmica de gran

magnitud, la cual transforma parte del calor solar en la energía cinética del viento.

El determinar las fuentes de energía eólica es de suma importancia, ya que esta permite definir

la localización adecuada de sistemas eólicos, los cuales deben estar estratégicamente situados,

de tal forma que una vez instalados son una fuente eólica eficiente.

El viento se presenta como una manifestación de las permanentes diferencias de presiones

atmosféricas, que existen en nuestro planeta, es el movimiento del aire el cual no puede

permanecer en reposo y se desplaza prácticamente sin término alguno. El término denominado

corrientes son las que constituyen los vientos.

Los vientos están definidos por la dirección, sentido y velocidad de aquí que se les considere en

el campo de la Física como un vector, esto permite que se pueda expresar con los tres




componentes de los vectores, es importante resaltar que en ocasiones se presenta una

componente vertical convirtiéndose el vector en tridimensional.

En realidad el viento es un proceso bastante complejo, la intención es que en esta unidad sea

explicado en términos muy sencillos y esto se retomara en las siguientes unidades,

principalmente en los temas que abordan la generación de la electricidad, es decir, enfocados a

los aerogeneradores, el sol calienta la superficie de la Tierra en diferente medida, depende si

las nubes cubren la superficie, si la superficie está expuesta directamente a la luz solar, o si se

trata de la superficie del océano. Un factor determinante en el comportamiento del aire es que si

el aire esta sobre las zonas más cálidas, se calienta, este se torna con menor densidad y por

esto asciende. El aire que asciende crea una zona de baja presión, esto provoca que el aire con

baja temperatura adyacente a alta presión se mueva a las zonas de baja presión. El resultado

de estos movimientos de aire es a lo que llamamos viento.

Actividad 2. Factores determinantes del recurso eólico

El propósito de la actividad consiste en efectuar un análisis del viento, identificando la potencialidad eólica que tiene la región o localidad donde vives. Para ello debes realizar los siguiente:

1. Ingresa al sitio web del sistema meteorológico de tu región o localidad. 2. Investiga la descripción geográfica de tu lo calidad, debes incluir los siguientes

elementos:

Coordenadas: latitud y longitud, altura media sobre el nivel del mar.

Dirección de los vientos dominantes.

Clima: temperaturas, lluvias, en cada estación del año.

3. Investiga qué influyen en la velocidad del viento. 4. Documenta los datos solicitados en un informe basado en los datos que obtuviste.

deberás.

5. Elabora una tabla de dos columnas, en la primera columna señala los meses de Enero a Diciembre, del año más reciente y en la segunda las velocidades de cada mes; al final de esta columna promedia la velocidad dominante del viento, y este será el resultado promedio anual que te permitirá identificar el recurso eólico de tu región.

6. Envía tu reporte al Facilitador(a), por medio de la herramienta de Tarea, y espera su retroalimentación. El nombre de tu archivo debe ser EEH_U1_A2_XXYZ.




1.1.2. Características generales del viento

Las causas principales del origen del viento son:

a) La radiación solar que es más importante en el ecuador que en los polos.

b) La rotación de la Tierra que ocasiona desviaciones hacia la derecha en el hemisferio

norte y a la izquierda en el hemisferio sur.

c) Las perturbaciones atmosféricas.

Las primeras aplicaciones del viento fueron en las velas de los barcos de las que se tiene

antecedentes del año 5,000 A.C. en Egipto y Mesopotamia, otra aplicación es la de los molinos

de viento que se utilizaron principalmente para moler granos de cultivos, otro dispositivo que

aprovecha dicho principio que funciona gracias a la energía eólica son las aerobombas que se

utilizan para elevar la presión del agua usando energía del viento; en base a estas aplicaciones

en 1888 Charles F. Bruch, construyo lo que hoy se cree que es el primer sistema eólico el cual

aplica el principio de la aerodinámica aprovechando la energía mecánica de la masa de aire

para producir electricidad.

Energía eólica otra opción para México. Tomado de Universo al descubierto in Tecnología.

1.2. Leyes de la aerodinámica

El estudio de los fluidos en reposo es un tanto complejo en relación a los fluidos en movimiento,

en un caso práctico de los fluidos en movimiento implica enfrentarse con algunas expresiones

matemáticas cuando intentamos describir el movimiento de un fluido, esto torna a dicha

disciplina formidable para realizar cálculos y seleccionar los materiales indicados para el

desarrollo de las aspas o paletas que son el principal componente de los sistemas eólicos; esta

actividad será sencilla si desde leyes de la aerodinámica establecemos algunas suposiciones.

En primer lugar, debemos considerar que los fluidos que están en movimiento se presentan en

su forma laminar, denominado técnicamente corriente laminar o flujo aerodinámico. Por otro




lado, los fluidos en movimiento se consideran incompresibles con esta razón se nos facilitara los

cálculos matemáticos en consideración de las leyes de aerodinámica.

Para entrar de lleno al tema revisa los siguientes subtemas.

1.2.1. Curvas de potencia y ley exponencial de Hellman

La tabla que se muestra a continuación describe la ley exponencial de Hellman, mostrando los

valores del exponente de Hellman en función de rugosidad del terreno en el que instalara un

sistema eólico, así mismo se representan gráficamente las curvas de potencia en función de la

zona: urbana, rustica y costa siendo estas las referencias a considerar.

La producción de energía por un sistema eólico está en relación de la velocidad del viento. La

relación entre la velocidad del viento y la energía está determinada por la curva de potencia,

esta curva es única para cada sistema, ya que está relacionada con la capacidad de producción

de este, y en algunos casos específicamente para las características de la zona específica. En

general, la mayor parte de los aerogeneradores inician con la producción de energía a

velocidades a partir de los 4 m/s, llegando a la potencia nominal de producción a

aproximadamente los 13 m/s.




Actividad 3. Potencial eólico

Basándose en la forma de obtener información que realizaste en la actividad 2, ahora deberás continuar con la búsqueda de datos pero para el país, y debes realizar lo siguiente: 1. Ingresa a la página del sistema meteorológico nacional. 2. Investiga sobre los recursos renovables disponible en México, tal como lo realizaste en la

actividad 2.

3. Con los datos resultantes elabora las curvas de potencia eólica del recurso disponible en México, utilice una hoja de cálculo (Excel), captura el recurso eólico de cada estado, de tal manera que al concluir la tabla te sea muy práctico graficar; de esta forma apreciaras por estado el potencial eólico.

4. Elabora un reporte con los datos y tus gráficas obtenidas.

5. Envía tu reporte al Facilitador(a), por medio de la herramienta de Tarea, y espera su

retroalimentación. El nombre de tu archivo debe ser EEH_U1_A3_XXYZ.

1.2.2. Parámetros de diseño, distribución de Rayleigh y distribución de

Weibull

Para considerar los parámetros de diseño es importante el aporte de la distribución de Rayleigh,

el cual está basado principalmente en el estudio de la velocidad del viento en relación a

vectores bidimensionales como representación física; la distribución de Weibull se emplea en la

representación estadística del estudio del viento desde su origen hasta su aplicación, este se

base en dos parámetros principalmente: parámetros de escaña y parámetros de factor de

distribución.

Con los datos disponibles de la velocidad del viento en un determinado lugar, es posible

encontrar la ecuación de Rayleigh que describe la distribución de velocidades del viento con

una aproximación razonable dentro de ciertos límites, siendo la velocidad media del mismo un

parámetro a tener en consideración, sus valores vienen dados en la siguiente tabla.




Para velocidades del viento por debajo de 15 km/hr. , la distribución de Rayleght tiene poca

precisión, no siendo útil su aplicación en lugares con una velocidad media del viento inferior a

los 13 km/hr. El área bajo cualquier curva siempre vale la unidad ya que la probabilidad del que

el viento sople a cualquiera de las velocidades, incluyendo el cero, debe ser el 100%.

Actividad 4. La aerodinámica en los sistemas eólicos

El propósito de la actividad es discutir sobre la importancia que tiene la aerodinámica en el estudio y avance que se tiene en la energía eólica, y para describir dichos aportes es necesario que realices lo siguiente:

1. Investiga sobre la relación que existe entre la velocidad del viento y la presión media en daN/m2 que se ejerce sobre una superficie plana dispuesta perpendicularmente al viento; calculado como p=0.13 V2 siendo V en m/s.

2. Con base, en tu investigación, discute con tus compañeros(as) sobre la importancia que ejerce la aerodinámica en el avance de la energía eólica.

3. Comenta en por lo menos dos de las aportaciones de tus compañeros(as).

4. Recuerda, consultar la Rúbrica general de foros, que se encuentra en la sesión de Material de apoyo.

Autoevaluación

Ahora es momento de poner en práctica los conocimientos aprendidos hasta el momento, para ello resuelve el ejercicio de Autoevaluación que se encuentra en el Aula en la unidad 1.




Evidencia de aprendizaje. Recurso eólico en México

La última actividad de la unidad consiste en un reporte que te permita evaluar los recursos eólicos con los que cuenta México y para ello deberás realizar lo siguiente: 1. Elabora una memoria técnica sobre el análisis del recurso eólico en México con base en

los principios aerodinámicos y debe incluir:

Mapa conceptual de la aerodinámica del viento

Las curvas de potencia y distribuciones propias del viento

Tabla comparativa del recurso eólico del México

2. Envía tu memoria técnica a tu Facilitador(a), con el nombre de EEH_U1_EA.XXYZ.

3. Consulta la Escala de evaluación.

Autorreflexiones

Recuerda ingresar al foro de Preguntas de autorreflexión, dónde el Facilitador(a) te proporcionará las líneas de reflexión acerca del aprendizaje de la unidad 1. Una vez que reflexiones sobre tu aprendizaje debes entregar tu reporte en la herramienta de Autorreflexiones, recuerda subir tu archivo después de asegurarte que se trate de tu versión final. Es importante que entregues sólo un archivo por unidad, para poder obtener e 10% de tu evaluación final.

Cierre de la unidad

Ahora se concluye el estudio de la unidad 1, y en esta se presentaron las características del

viento, los principios de la aerodinámica relacionados con los aerogeneradores y te permitió

conocer el potencial eólico disponible en tu región y en México.

Se te invita a seguir documentándote sobre la energía eólica y sobretodo en México, con la

finalidad de tener mayores conocimientos sobre los recursos renovables con los que cuentas en

tu localidad y en el país.

Prepárate para continuar con el estudio de la siguiente unidad, donde construirás un sistema de

energía eólica, con ayuda de los tópicos y actividades realizadas en la presente unidad.




¡Adelante!

Para saber más

Leonardo Energy en español. Webinar Introducción a la energía eólica. www. leonardo-

energy.org/español/

Fuentes de consulta

González, V. J. (2009). Energías renovables. Barcelona: Reverté.

Documents

Unidad_1._Energia_eolica.pdf