Diseño de sistemas eólicos: meteorología del viento y variables

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Diseño de sistemas eólicos Unidad 1: Meteorología del viento Actividad 1: Variables hidrodinámicas y meteorológicas del viento

Nombre del estudiante: Carlos Hernando Castillo Godinez Matrícula: ES192100491 Correo electrónico institucional: carlos.castillo.godinez@nube.unadmexico.mx Carrera: Ingeniería en energías renovables Grupo: ER-EDSE-2501-B1-001 Fecha: 13/01/2025

Potencial Eólico

Es la máxima cantidad de energía que podría extraerse del viento en una región durante un tiempo determinado, suponiendo la extracción total de su energía cinética.(Villarrubia, 2012).

Esta cantidad es proporcional al cubo de la velocidad del viento , a la densidad del aire y al diámetro de barrido del rotor del aerogenerador (Kanoğlu, Çengel, & Cimbala, 2020)

Pa = > PAU3 1

El viento y parámetros que afectan su aprovechamiento energético

Rosa de los vientos

La rosa de los vientos es un diagrama polar que muestra las direcciones dominantes del viento, representando su velocidad y rumbo con valores específicos (Villarrubia, 2012).

• Rosa de velocidades Muestra la velocidad del viento para cada dirección (Artillo García, 2017).
• Rosa de frecuencias Representa la probabilidad de que sople el viento en función de la dirección (Artillo García, 2017).

Límite de Betz

Determina el máximo potencial de energía que puede obtenerse del flujo de un viento a cierta velocidad. Solo se puede aprovechar el 59.3% de la energía disponible del viento (Villarrubia, 2012).

PMáx = 0.593 Pd

Mecánicas

Irregularidades de la superficie del suelo y (relieve, obstáculos rugosidad) (Villarrubia, 2012).

Variación de la velocidad del viento con la altura

Esta variación se debe a turbulencias mecánicas y térmicas(Villarrubia, 2012).

• Térmicas Gradiente vertical de temperatura, que crean corrientes convectivas verticales (Villarrubia, 2012).

El viento y parámetros que afectan su aprovechamiento energético

Rugosidad del terreno y velocidad del viento

• La velocidad del viento está influenciada por la rugosidad (relieve) del terreno en las capas próximas al suelo (Carta, Calero, Colmenar, & Castro, 2009). Esta característica provoca pérdidas de la energía eólica (Villarrubia, 2012).
• La rugosidad del terreno se determina por el parámetro Zo (longitud de rugosidad) (Villarrubia, 2012).
• Una superficie lisa tiene un valor de Zo muy pequeño. Una superficie con muchos obstáculos (árboles, edificios) tendrá un valor elevado (Villarrubia, 2012).

Turbulencias

• Reducen la energía que se puede extraer del viento (Villarrubia, 2012).
• Producen esfuerzos mecánicos de fatiga en las aspas del aerogenerador (ABB, 2012).

. Son provocadas por influencias del terreno (fuertes pendientes, crestas o bordes agudos) u obstáculos (edificios, árboles) (Villarrubia, 2012), así como por interferencias aerodinámicas provocadas por la separación inadecuada en aerogeneradores (ABB, 2012).

Referencias

ABB. (2012). Cuaderno de aplicaciones técnicas nº12. Plantas eólicas. Obtenido de chrome- extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://library.e.abb.com/public/ac7 64cb1be081128c1257a30003c70d7/Cuaderno%20Tecnico_num%2012_Plantas%20 eolicas.pdf Artillo García, M. (2017). Estudio del Potencial Eólico y Viabilidad de Parque Eólico en Andalucía. Obtenido de chrome- extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://biblus.us.es/bibing/proyectos /abreproy/91209/fichero/Borrador_Definitivo_7.pdf Carta, J., Calero, R., Colmenar, A., & Castro, M. (2009). Centrales de energías renovables. Generación eléctrica con energías renovables. Madrid: Pearson Educación. Kanoğlu, M., Çengel, Y., & Cimbala, J. M. (2020). Fundamentals and aplications of renewable energy. NY: Mc Graw Hill. Villarubia, M. (2012). Ingeniería de la energía eólica. Barcelona: Marcombo.

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Universidad Abierta y a Distancia de México Diseño de sistemas eólicos https://www.unadmexico.mx/ Instrumentos y técnicas para la medición del recurso eólico C. H. Castillo Godínez Universidad Abierta y a Distancia de México, Ixtapaluca, Estado de México, MX

Resumen de la evaluación del potencial eólico

Resumen- La obtención de datos como la velocidad y dirección del viento, así como la temperatura y presión atmosférica, es esencial para evaluar el potencial eólico de una región, ya que el comportamiento del viento es el principal factor que determina la viabilidad de los aerogeneradores. Este trabajo se centra en una investigación documental que explora las características de los equipos e instrumentos de medición necesarios para obtener estos datos críticos. La información obtenida es relevante para los estudiantes de ingeniería en energías renovables, ya que proporciona una introducción clave para comprender cómo se mide y se evalúa el recurso eólico en una determinada ubicación.

Palabras clave: instrumentación, aerogenerador, recurso eólico.

1. Introducción

El creciente consumo energético de la humanidad y los problemas ambientales asociados han impulsado la búsqueda de fuentes de energía alternativas que reduzcan el impacto ambiental y los costos de producción. La energía eólica, reconocida como una de las opciones más prometedoras, enfrenta el desafío de la intermitencia de su recurso principal: el viento. Para garantizar la viabilidad de instalar aerogeneradores en un sitio específico, es fundamental analizar las características del viento, como su velocidad, dirección, presión y temperatura.

Este ensayo tiene como objetivo introducir la instrumentación necesaria para el estudio del viento, así como las técnicas empleadas para instalar estos dispositivos en torres meteorológicas. Además, se abordarán los factores que afectan la precisión de las mediciones, como las

MEDICIÓN DEL RECURSO EÓLICO

turbulencias producidas por obstáculos cercanos, los cuales podrían distorsionar la evaluación del recurso eólico y llevar a decisiones erróneas.

Antecedentes del análisis del viento

El análisis del viento como fuente de energía renovable requiere un conocimiento detallado de sus características mediante técnicas estadísticas. Este proceso implica la toma de datos sobre la velocidad y dirección del viento, así como el análisis de variables meteorológicas adicionales, tales como la temperatura, la presión y la humedad. Los datos se obtienen a través de instrumentos como anemómetros y veletas, que permiten realizar el tratamiento estadístico de los mismos, incluyendo el cálculo de promedios horarios, diarios y anuales, y el análisis de distribuciones de probabilidad y otras métricas relevantes (Villarubia, 2012).

Es fundamental que estos estudios consideren no solo la velocidad y dirección del viento, sino también su variabilidad temporal, el perfil vertical de la velocidad del viento y los factores de turbulencia. Adicionalmente, las condiciones meteorológicas como la temperatura, presión y humedad juegan un papel crucial en la evaluación precisa del recurso eólico. Otros factores como la orografía, la rugosidad del terreno y la presencia de obstáculos deben ser tomados en cuenta, y las mediciones de viento se extrapolan a 10 metros de altura para obtener datos representativos y consistentes. La recopilación de estos datos debe ser continua y a lo largo de períodos largos, como varios años, para garantizar su fiabilidad y representatividad (Villarubia, 2012).

Existen tres tipos de sistemas de instrumentos utilizados para mediciones del viento. El primero incluye los instrumentos utilizados por los servicios meteorológicos nacionales, empleados para el monitoreo general de las condiciones climáticas. El segundo tipo corresponde a los instrumentos diseñados específicamente para medir y caracterizar el recurso eólico, con el objetivo de evaluar la disponibilidad del viento para la generación de energía. El tercer tipo está 2

MEDICIÓN DEL RECURSO EÓLICO

compuesto por instrumentos diseñados para altas tasas de muestreo, necesarios para determinar ráfagas, turbulencia e información de entrada del viento, lo que permite analizar la respuesta de las turbinas eólicas (Manwell y otros, 2009).

En general, la señal proveniente de los instrumentos de medida se conecta a un sistema de registro que puede ser de diversos tipos: un dispositivo de integración, un indicador, o un dispositivo de grabación, como un soporte magnético o electrónico. Estos sistemas permiten almacenar, procesar y analizar la información recogida de manera eficiente y precisa, facilitando la evaluación y monitoreo continuo de las condiciones del viento (Mur Amada, s.f.).

Los datos de un sistema de monitoreo de viento se pueden analizar de diversas formas (Manwell y otros, 2009):

• Velocidad del viento: Se calculan promedios, desviaciones estándar, intensidad de turbulencia, valores máximos y distribuciones de velocidad.
• Dirección del viento: Se analizan la dirección media, sus variaciones y distribuciones direccionales.
• Persistencia: Mide cuánto tiempo el viento permanece dentro de un rango específico de velocidades, ayudando a estimar períodos continuos de operación de turbinas.
• Ráfagas y fluctuaciones: Se determinan parámetros de ráfagas y componentes del viento (u, v, w), tanto estacionarias como fluctuantes.
• Análisis estadístico: Incluye autocorrelación, densidad espectral de potencia, escalas de tiempo y longitud, y correlaciones espaciales y temporales.
• Variaciones temporales: Se estudian las fluctuaciones diurnas, estacionales, anuales e interanuales de los parámetros mencionados.

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• Rosa de los vientos: Es un gráfico que muestra la distribución de la dirección y velocidad del viento en un lugar. Este diagrama consta de círculos concéntricos que representan una escala y 16 líneas radiales (los puntos cardinales). Las líneas más largas indican las direcciones predominantes del viento, mientras que las condiciones de calma se marcan en el centro. Es una herramienta útil para analizar datos de anemómetros y suele representar información anual, estacional o mensual (Manwell y otros, 2009).

2. Desarrollo

Instrumentación utilizada en energía eólica

Dentro de las aplicaciones de la energía eólica, los sensores meteorológicos más utilizados incluyen anemómetros para medir la velocidad del viento, veletas para determinar su dirección, termómetros para medir la temperatura ambiente y barómetros para medir la presión atmosférica Estos instrumentos son fundamentales para obtener una caracterización precisa de las condiciones del viento y sus posibles variaciones a lo largo del tiempo, lo que facilita la optimización del diseño y funcionamiento de los sistemas eólicos (Manwell y otros, 2009).

2 .. 1. Torres de medición o torre meteorológica

Las torres para medición del viento, que deben alcanzar alturas de entre 20 m y 150 m, suelen ser instaladas específicamente para este propósito. Existen varios tipos de torres, pero las más comunes hoy en día son las torres inclinables con tirantes, que se pueden erigir desde el suelo. 4