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Diseño de soluciones energéticas: Principios de energía solar y eólica

Angélica Pedraza

Universidad de los Andes10 Octubre de 2014

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

Parte I. Energía Eólica

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 relacionadosParte I. Energía Eólica

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 relacionadosParte I. Energía Eólica

Parte I. Energía EólicaTeoría

Relevante

Donde: es la potencia eólica expresada en vatios es la densidad del aireV es la velocidad del viento en m/sA es el área del rotor en m2

Energía Cinética (Viento)

Energía Mecánica (Turbina)

Energía eléctrica (Generador)


Relevante

Tomada de: http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/00_POLICY_document/Economics_of_Wind_Energy__March_2009_.pdf

http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/00_POLICY_document/Economics_of_Wind_Energy__March_2009_.pdf



Teoría RelevanteParte I. Energía Eólica

Techno Sun FSH2000 Enercon E -82

Enercon E-53


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/m3 a:

20°C 0°C

0 1,204 1,292

500 1,134 1,217

1000 1,068 1,146

1500 1,005 1,078

2000 0,945 1,014

2500 0,887 0,952

3000 0,833 0,894

3500 0,781 0,839

4000 0,732 0,786

San Juan de Pasto2527 msnm

26% Menor


Relevante

Figura 2.1 POTENCIA EOLICA ESPECIFICA vs VELOCIDAD DE VIENTO

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

VELOCIDAD DE VIENTO (m/s)

PO

TE

NC

IA E

OLI

CA

ES

PE

CIF

ICA

(W

/m2)

𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜= 𝑓 (𝑉 3)

El viento se ve afectado por:

• Altura• Topografía• Temperatura• Humedad


A

B

Velocidad de viento (m/s)

Potencia eólica especifica ()

A =15,5 2100

B =11,5 900

∆ 𝑃 (𝑊 /𝑚2)>57,1% (𝑒𝑛2h𝑜𝑟𝑎𝑠)

Teoría Relevante

Tomada de: Renewable Energy Handbook (2009)

Parte I. Energía EólicaVariables 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.


ambientales

TopografíaAire en movimiento, f (T, Latitud, precipitación)Tierra o masas de agua

Perfiles de Velocidad de viento, en función de características topográficas. Pinilla A. (1997)


ambientales

Tomada de: Pinilla A. (2005)


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/s Usualmente no es viable, a menos que existan circunstancias especiales para una mejor evaluación

3 - 4 m/s Puede ser una buena opción para equipos de aerobombeo, poco viable para aerogeneración eléctrica

4 - 5 m/s Aerobombas son competitivas económicamente a los equipos Diesel, bombeo aero-eléctrico es viable

Más de 5 m/s Viable para aerobombeo y aerogeneración eléctrica

Más de 6 m/s Viable para aerobombeo, aerogeneración con sistemas autónomos y para sistemas conectados a la red eléctrica.

Variables medio ambientales

Parte I. Energía EólicaPlan de

monitoreo

Acercamiento numérico.

MCP (Measure Correlate Predict) WRF (Weather Research and Forecasting)NWP (Numerical Weather Prediction)

Ecuación diferencial parcial


monitoreo

Seleccionar lugares representativos de áreas desarrollables – indicios (arboles).

Número de anemómetros depende de:• Tamaño de la Región• Topografía• Propósito de la Evaluación• Presupuesto/Cronograma


monitoreo


monitoreo

Equipos de medición • Torres anemométrica (10m - 40m - 60m - 80m- 100m)

• Anemómetro de cazoleta

• Veleta de medición de la dirección

• Data Logger (NRG, Zond, Campbell)

• Cableado

• Estacas de montaje de sensores y equipos

• Caja de protección para proteger el Logger

• Protección de Rayos

• Memoria de almacenamiento de datos

• Software y Hardware de apoyo para procesar datos


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


monitoreo

SITIO ELEGIDO: EVALUACIÓN DEL RECURSO

Número de anemómetros requeridos

• Depende del terreno, de las características del viento y tamaño de turbinas eólicas

Guía GeneralTipo de Terreno

Lugares de Turbinas por anemómetro

Plano 25 - 35

Sinuoso 4 - 10

Complejo 2 - 5


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)

Parte II. Energía Solar

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

Parte II. Energía SolarTeoría

Relevante

Producción en Alemania

Energía Solar: 18 TWh @2012Energía 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)


Relevante

Irradiancia: Definida como la tasa de radiación que llega a la tierra, generalmente se divide en radiación difusa y radiación directa.

Radiación Difusa Es la radiación solar recibida por la tierra después de su paso por la atmosfera; es decir qué la dirección de incidencia sobre la corteza terrestre ha sido cambiada en el paso del haz dé luz por la atmosfera

Radiación Directa: Es la parte de la Irradiancia que llega a la tierra sin haber modificado su trayectoria desde el disco solar.

Irradiación: Asumida como la cantidad de energía incidente por unidad de área, calculada como la integral de la irradiancia por el tiempo específico, generalmente medida en periodos de horas o días.

Algunas definiciones


Relevante

Piranómetro

𝑃𝑛=𝑛∗𝑊 𝑝∗𝑡 [h]@𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖 ó𝑛

𝑃 𝑅=𝑅 [𝑊 /𝑚2 ]∗𝐴 [𝑚2 ]∗𝑡 [h ]

Radiación Solar

Energía Requerida

Comportamiento de los equipos

Área disponibleAnálisis

económico


Relevante

4,5° Inclinación

Parte II. Energía SolarCaso de Estudio

Sistema de generación PV, Edificio Mario Laserna

Potencia nominal =1.8kWp10 Paneles (180Wp) 2007


Tarjeta de adquisición de datos

Banco de Baterías

Arreglo PV

Inversor

Piranómetro Termocupla

HUB

MATE

Controlador


0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 0:00:000

200

400

600

800

1000

1200

0

5

10

15

20

25

30

35Variables típicas diarias

Radiación Potencia PV Potencia de Carga BatTemperatura

Hora del día

[W/m

2]

[W

]

Tem

pera

tura

[° C

]

0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 0:00:000

2

4

6

8

10

12

0

5

10

15

20

25

3027,6 V

21,7 V

Relación de energía y Voltaje en las Baterias

Energía Gen Energía Con Energía Alm Voltaje Hora del día

Ener

gía

[Wh]

Volta

je [V

]


Energía almacenada teóricamente.

Rango de operación del Banco de baterías.

𝑉𝑚𝑎𝑥=27,6𝑉 𝑉𝑚𝑖𝑛=21,6𝑉𝑉 𝑛𝑜𝑚=12𝑉


24-Jan28-Ja

n1-Fe

b5-Fe

b9-Fe

b

13-Feb

17-Feb

21-Feb

25-Feb1-M

ar

5-Mar

9-Mar

13-Mar

17-Mar

21-Mar

25-Mar

29-Mar

2-Apr

6-Apr

10-Apr

14-Apr

18-Apr

22-Apr

26-Apr

30-Apr

4-May

8-May

12-May

16-May

20-May

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Relación de Factor de Planta (STC) y Energía Producida

FP Energía Producida

Día monitoreado

FP [

-]

Ener

gía

[kW

h/di

a]


24-Jan

28-Jan1-Fe

b5-Fe

b9-Fe

b

13-Feb

17-Feb

21-Feb

25-Feb1-M

ar

5-Mar

9-Mar

13-Mar

17-Mar

21-Mar

25-Mar

29-Mar2-A

pr6-A

pr

10-Apr

14-Apr

18-Apr

22-Apr

26-Apr

30-Apr

4-May

8-May

12-May

16-May

20-May

0%

5%

10%

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35%

0

200

400

600

800

1000

1200

Eficiencia Radiación [W/m2]

Efici

enci

a [-

]

Radi

ació

n [ W

/m2

]

Relación de Radiación contra Eficiencia


24-Jan28-Ja

n1-Fe

b5-Fe

b9-Fe

b

13-Feb

17-Feb

21-Feb

25-Feb1-M

ar5-M

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ar

13-Mar

17-Mar

21-Mar

25-Mar

29-Mar

2-Apr

6-Apr

10-Apr

14-Apr

18-Apr

22-Apr

26-Apr

30-Apr

4-May

8-May

12-May

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20-May

0%

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0

5

10

15

20

25

Eficiencia FP Temperatura [° C]Día monitoreado

Efici

enci

a [-

]

F

P [-

]

Tem

pera

tura

[° C

]

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