energía eólica a pequeña y a gran...
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Extrayendo energía del viento: Energía eólica a pequeña y a gran
escala
Dr. Oliver Probst
Tecnológico de Monterrey
Mérida, Yucatán, 15 de Marzo de 2012
La energía eólica en MéxicoPresidente Felipe Calderón Hinojosa en la inauguración de los parques eólicos Oaxaca II, III y IV, ubicados en la región de La
Ventosa. La capacidad combinada de las tres plantas es de 306 MW.
La energía eólica en MéxicoParque “Eólica de Arriaga” (16 turbinas Vestas 1.8MW = 28.8MW)
inaugurado este miércoles 14 de Marzo de 2012 por Ricardo Salinas Pliego y el gobernador Juan Sabines de Chiapas.
Agenda
1. Introducción e historia de la energía eólica
2. “Plantando turbinas”: ¿Cómo desarrollar un parque eólico?
3. “Armando turbinas”: ¿Cómo construir o mejorar aerogeneradores?
4. Posgrados en energía eólica en el Tecnológico de Monterrey
Contribuciones• Ing. Roberto Chávez (estudiante doctoral, DCI-ITESM)• Dr. Diego Cárdenas (egresado DCI-ITESM)• Ing. José Francisco Herbert (estudiante doctoral)• Dr. Alejandro Escárpita (egresado DCI-ITESM)• M.C. Herbé Gómez (egresado MIE-ITESM)• M.C. Oswaldo Monroy (egresado MIE-ITESM)• Ing. Salomón Castro (estudiante de Maestría, MIE-ITESM)• M.C. Alejandro Romo (profesionista)• M.C. Jorge Elizondo (Aeroluz)• M.C. Jaime Martínez (Aeroluz)• Dr. Hugo Elizalde (ITESM-Ciudad de México)• Dr. Piergiovanni Marzocca (Clarkson University)
Alianzas• American Shoreline / AmShore Wind LLC,
Corpus Christi, TX– Recurso eólico
• Diseño Eólico y Solar S. de R.L. / Aeroluz, Monterrey, N.L.– Tecnología de pequeños aerogeneradores
• Clarkson University, N.Y., EE.UU.– Propiedades mecánicas de aspas
• Universidad de Texas en Brownsville– Mecánica de fluidos
• Gamesa Wind US, Philadelphia, EEUU– Capacitación de especialistas en energía eólica– (Concluido)
Introducción e historia
1
Introducción e historia (1)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.
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.
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.
Introducción e historia (2)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.
En operación sobre la colina “Granpa’s knob” en Vermont.
Durante la construcción
Introducción e historia (3)Aerogeneradores modernos
• 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 hace poco la aeroturbina más grande del mundo. Opera ahora
con una potencia reducida de 2.5MW.
Introducción e historia (4)Ejemplo de un aerogenerador comercial de 1.3MW (diám. 60m) con control por
entrada en pérdidas (“stall”). (Descontinuado). Fabricante: Nordex
Generador eléctrico
Freno de discos
Caja multiplicadora
Anemómetros
Motor con engranaje para giro alrededor del eje vertical.
Flecha
Buje
Aspas
“Plantando turbinas”: El desarrollo de parques eólicos
Projecto“Peñascal” (Texas, 408 MW, fases 1 + 2), Iberdrola Renewables. Desarrollado por American Shoreline, Corpus Christi.
2
¿Qué se necesita para plantar turbinas? Pasos en el desarrollo de un parque eólico
• Encontrar un sitio ventoso (prospección temprana)
• Amarrar los terrenos del sitio (comprar o arrendar)
• Medir el viento en el sitio y demostrar la factibilidad (evaluación del recurso eólico)
• Conseguir clientes interesados en consumir y pagar energía verde y barata (PPAs)
• Estudiar y mitigar el impacto ambiental (MIA, ETJ, estudios de aves)
• Negociar con la compañía eléctrica (CFE) la interconexión a su red eléctrica
• Estudiar la regulación aplicable y aplicarla al estudio de la factibilidad económica del proyecto
• Financiar el proyecto
• Construir y operar
Análisis de calidad sistemático de la estaciones superficiales (EMAs)del Servicio Meteorológico Nacional
Ubicación de estaciones y disponibilidad de datos
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Wind Speed bins
Fre
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Frequency plots for each year : Acapulco
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Wind Speed bins
Fre
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CCave=0.63869
Frequency plots for each year : Acapulco
Resultados de los procesosde control de calidad
Distribuciones de Weibull anuales para Acapulco
0 2 4 6 8 100
0.02
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0.12
Wind Speed [m/s]
f(x)
Wind speed probability distribution for Tizapan
Histogram-> wwvsw = -0.0048784
W R2=0.5046; W R2bar=0.49606
WW R2=0.52794; WW R2bar=0.4936
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0.06
Wind Speed [m/s]
f(x)
Wind speed probability distribution for Tizapan
Histogram-> wwvsw = 0.39392
W R2=0.9675; W R2bar=0.96694
WW R2=0.98132; WW R2bar=0.97997
Distribución de lasvelocidades del
viento para Tizapan
Perfiles diarios en Los Colomos
Antes Después
Antes Después
Antes
Después
Velocidad de viento annual a escala global (COMET, 2006)
Modelos de circulación global y regional (COMET, 2006)
Modelación numéricos de predicción del tiempo (NWP)Modelos numéricos de predicción del viento resuelven las ecuaciones físicas básicas de la atmósfera (momentum, energía, continuidad etc.) de manera explícita sobre ciertas escalas temporales y espaciales. Procesos más cortos o más pequeños tienen que ser modelados / parametrizados.
On the other hand, datasets from theNorth American Regional Reanalysis(NARR) can also be used to extract andgeo-statistically determine the windspeed components at different locationsan vertical heights.
Mapa de viento (promediosde 20 años a 10m de altura) extraído de la base de datos
NARR (North American Regional Reanalysis)
Mapa de viento (20 años) construido para 80m y unaresolución lateral de 3km usando interpolación
geoespecial y extrapolación vertical mediante teoría de similitud.
Velocidad del viento [m/s]
High : 9.29354
Low : 1.99281
Aprovechamiento de bases de datos meteorológicas para la creación de mapas de viento
Ejemplo: NARR
Mapa disponible en línea: http://fisica.mty.itesm.mx/fisica/WEG/windresmap.html
0 2 4 6 8 10 120
50
100
150
200
250Histogramas para: Venustiano Carranza
m/s
Fre
cuencia
EMA
NARR
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic2.6
2.8
3
3.2
3.4
3.6
3.8
4
4.2
4.4
4.6
Mes
Velo
cid
ad [
m/s
]
Promedios mensuales para: Venustiano Carranza
EMA
NARR
0 3 6 9 12 15 18 212.5
3
3.5
4
4.5
Hora
Velo
cid
ad [
m/s
]
Promedios diarios para: Venustiano Carranza
EMA
NARR
Validación de NARR vs. mediciones
Mediciones
NARR
Mediciones
NARR
Mediciones
NARR
Para la validación los resultados del mapa fueron interpolados a la posición de la estación meteorológica mediante un procedimiento de interpolación geoestadístico (Kriging)
Ejemplo: Estación Venustiano Carranza
NARR
WRF- ARW with NARR_SST WRF- ARW with HR_SST
"h ProspectiveSites
wind speed @ 10m
2.2 - 2.5
2.6 - 2.8
2.9 - 3
3.1 - 3.2
3.3 - 3.4
3.5 - 3.6
3.7 - 3.8
3.9 - 4.1
4.2 - 4.4
4.5 - 4.7
4.8 - 4.9
5 - 5.2
5.3 - 5.4
5.5 - 5.6
5.7 - 5.9
Dependencia con respecto a las condiciones defrontera / initialización
Comparación de estudiosWRF-ARW con diferentesbases de datos para la temperatura superficial del mar.
No se detecta la región de “La Rumorosa” en el sistema NARR
Sí se detecta en los estudios de alta resolución
SODARSistema comercial (ART) armado sobre remolque y equipado con sistema FV y telemetría (3G)
Sodar: Principios básicos (1)
02
f
Sfw
yy
w
f
Sfv
tansin2
0
xx
w
f
Sfu
tansin2
0
Vertical component (z)
Horizontal components (x,y)
Sodar: Resultados típicos
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25
He
igh
t ab
ove
gro
un
d le
vel [
m]
Wind speed [m/s] (wind direction [°])
Horizontal wind speed [m/s]
Wind direction [°]/10
Vertical wind speed [m/s]
Sodar y estabilidad atmosférica: Calibración contra mediciones de diferencias de temperatura
Octubre 2010
Noviembre 2010
Porcentaje de condiciones inestables
Porcentaje de condiciones
estables
T
SODAR
3Construyendo mejores
turbinas
Estator para generador de flujo toroidal
Rotor con imanes permanentes
Aspa para turbina de 3kW
Prueba de campo de turbina de 1.4kW
¿Qué se necesita para construir turbinas? Elementos de ciencia y tecnología
• Diseño aerodinámico y optimización de aspas/rotores
• Diseño y análisis estructural de aspas y turbinas
• Diseño, modelación y caracterización de generadores eléctricos
• Modelación de propagación de daño en aspas
• Sistemas de control aerodinámicos
• Electrónica de potencia y control electrónico
• Evaluación del desempeño
• Etc.
Densidad del campo magnético en el núcleo
Densidad del campo magnético en la brecha de aire
Banco de pruebas
Topología de generadores
Diseño y construcción de generadores para turbinas de pequeña escala (3kW, 10kW)
Sección a simular del generador
Modelos de pared delgada (thin-walled beam = TWB)
• Secciones huecas de pared delgada con refuerzos internos
• Espesor variable a lo largo del perímetro de la sección
• Secuencia de apilamiento variable, donde cada capa de material tiene orientación, espesor y propiedades materiales arbitrarios
• Tratamiento detallado de alabeo
• Deformación en corto a través de la pared (enfoque de Timoshenko)
Shell WebbedLayer 4: 90°
1367 N
1608 N
1809 N
2010 N
1360 N
1650 N
1810 N
2002 N
TWBLayer 4: 90°
1367 N
1608 N
1809 N
2010 N
Shell WebbedLayer 4: 90°
1360 N
1650 N
1810 N
2002 N
TWBLayer 4: 90°
Spanwise (mm)
Ch
ord
(m
m)
Ch
ord
(m
m)
Spanwise (mm)
Progresión de daño para carga estática: Comparaciones topológicas
Modelo tridimensional del aspa
Modelo unidimensional equivalente
Mapas proyectados
Modelo unidimensional equivalente
Modelo tridimensional del aspa
Caso 3: Velocidad de viento constante y pérdida de carga
Análisis de progresión de daño en condiciones dinámicas e interacción con el viento
Caso 3: Velocidad de viento constante y pérdida de carga
Análisis de progresión de daño en condiciones dinámicas e interacción con el viento
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Programas de posgrado en el Tecnológico de Monterrey• Maestría en Ingeniería Energética (MIE)• Doctorado en Ciencias de la Ingeniería (DCI)
Reviews• State of the art and trends in wind resource asssessment
(acceso libre)• Small wind turbine technology (acceso libre)