MICRO-AEROGENERADORES & ENERGÍA EÓLICA EN ZONAS URBANAS”

PAPER BASE: “Micro wind turbines in the UK domestic sector

Alumno: Matías Díaz.

Introducción

Partes básicas de un micro-aerogenerador

Aplicaciones y usos, actuales, de los micro-aerogeneradores

Evaluación del lugar de emplazamiento

Análisis del rendimiento del micro-aerogenerador

Optimización del rendimiento: Aerogeneradores en edificios

Análisis de rendimiento económico y reducción de las

emisiones de carbono

Implementación y resultados

Conclusiones

Esta presentación aborda las turbinas eólicas que poseen un rango de producción que se encuentra entre los 20 (W) y los 100 (KW), especialmente las más pequeñas, entre 20 (W) y 5 (KW), denominadas micro-aerogeneradores.

Los micro-aerogeneradores pueden contribuir significativamente a las necesidades de energía de nuestra nación.

Para potenciar el rendimiento de turbinas empleadas en aplicaciones residenciales o en zonas urbanas, recientemente, se ha impulsado el desarrollo de aerogeneradores montados sobre, o integrados en, los edificios, instalaciones que son adecuadas para el medio ambiente urbano y que presentan un gran potencial de evolución

Turbina eólica: la mayoría de las turbinas fabricadas son de

eje horizontal y son de las llamadas “corriente viento arriba” y

cuentan con dos o tres alabes,

Torre: : las autoportantes (soporte libre) y las retenidas,

siendo estas las de mayor uso para usos residenciales.

Balance del sistema: Para un sistema residencial conectado

a la red, los componentes de balance del sistema incluirán un

controlador, baterías de almacenamiento, una unidad

rectificadora de señal (inversor) y el cableado. :

Sistemas aislados: Estos sistemas que no están conectados a la red de suministro, requieren el uso de baterías para almacenar la energía excedente generada, y usarla cuando no exista viento.

Sistemas interconectados a la red: Si la turbina no puede cubrir la cantidad de energía consumida, la compañía eléctrica cubrirá el faltante. Cuando la turbina eólica produzca más electricidad de la se requiera, el excedente es vendido a la compañía eléctrica.

Sistemas interconectados a la red:

Electrificación de viviendas aisladas y servicios públicos. Viviendas en emplazamientos aislados, refugios de montaña, etc.

Suministro eléctrico a pequeñas instalaciones agrícolas o industriales.

Bombeo de agua, sistemas de riego, iluminación de invernaderos o granjas,etc.

Desalinización y depuración de agua, en plantas de pequeña dimensión.

Telecomunicaciones, señalización marítima, faros, repetidores y reemisores de radio, televisión y telefonía, dispositivos de alarma, etc.

El potencial energético va a depender del régimen eólico del lugar, y se debe conocer claramente:

I. Influencia topográfica.II.Distribución de frecuencias de la velocidad

y dirección del viento.

Influencia topográfica.RugosidadCizallamiento del vientoTurbulencias y obstaculos

Influencia topográfica Rugosidad

Terreno con clase de rugosidad de 0,5

Terreno con clase de rugosidad de 3-4

Influencia topográfica Cizallamiento del viento: es hecho de que el

perfil del viento se mueva hacia velocidades más bajas conforme nos acercamos al nivel del suelo.

Influencia topográfica

Cizallamiento del viento: Fórmula del perfil

vertical del viento

vz = velocidad del viento a una altura z sobre el nivel del suelo. vref = velocidad de referencia, es decir, una velocidad de viento

ya conocida a una altura. z = altura sobre el nivel del suelo para la velocidad deseada, v. z0 = longitud de rugosidad en la dirección de viento actual. zref = altura de referencia, es decir, la altura a la que

conocemos la velocidad de viento exacta.

Influencia topográfica Turbulencias: Se producen en áreas cuya superficie es

muy accidentada y tras obstáculos como edificios, arboles, casas, etc. Las turbulencias disminuyen la posibilidad de utilizar la energía del viento de forma efectiva en un aerogenerador.

Influencia topográfica Turbulencias:

Distribución de frecuencias de la velocidad y dirección del viento

La determinación de la velocidad media del lugar puede realizarse por varios métodos:

1. Directamente, utilizando anemómetros que registran la velocidad del viento.

Distribución de frecuencias de la velocidad y dirección del viento

2. Indirectamente, utilizando información procedente de emplazamientos cercanos, como registros de viento de estaciones meteorológicas, observar la vegetación del área

P = Potencia obtenida, (kW)

Cp = Coeficiente de máxima potencia, en el rango de 0.25 a 0.45

adimensional (Teóricamente el máximo es 0.59)

ρ = Densidad del aire, (Kg/m3)

A = Área de barrido del rotor, (m2)

V = Velocidad del viento, (m/s)

La ecuación ilustra los factores de importancia en el funcionamiento de una turbina eólica:

El área de barrido A, es un factor importante, porque el rotor es la parte de la turbina que captura la energía del viento. Por esto entre más grande sea este más energía se puede obtener.

La velocidad del viento tiene un exponente a la tercera potencia. Esto significa que aun con un pequeño incremento de la velocidad del viento, la potencia disponible se incrementa en una forma mayor

BUWT: Turbinas eólicas montadas/integradas en edificaciones urbanas.

Turbinas eólicas integradas en edificios:

Turbinas eólicas montadas en edificios:

Turbinas eólicas aumentadas en edificios.

Parámetros de evaluación:

1.Costo por kilo Watts de los micro-

aerogeneradores.

2.Ahorro neto en el coste de la energía.

3.Tiempo de amortización.

4.Cantidad de reducción de emisiones de CO2

al año.

Se consideran 4 tamaños de micro-

aerogeneradores: 0.4 (kW), 0.6 (kW), 1.5 (kW) y

2.5 (kW) para una zona con una media anual de

velocidad del viento de 4.9 (m/s) a 10 (m) de

altura del suelo y con una rugosidad de terreno

clase 2.

Duración de producción estimada para los cuatro

micro-aerogeneradores:

Estimación del rendimiento anual de energía de

los micro-aerogeneradores:

Tamaño Turbina (kW) Energía anual producida (kWh)

0,4 567

0,6 1488

1,5 2541

2,5 4879

Considerando los parámetros de evaluación y las

consideraciones expuestas en el párrafo anterior;

asumiendo que el costo de una turbina esta en el

rango de los £4000 ($3.750.000) por (kW), con

una vida útil de 20 años, el costo del kWh a $100;

se obtienen los resultados económicos y de

reducción de emisiones de CO2 :

  Tamaño micro-aerogenerador

Medidas de evaluación

Unidad

0,4 (kW) 0,6 (kW) 1,5 (kW) 2,5 (kW)

ConSubv.

Sin Con Subv.

Sin Con Subv.

Sin Con Subv.

Sin

Subv. Subv. Subv. Subv.

Costo de la turbina

$ 1.050.000 1.500.000 1.575.000 2.250.000 3.937.500 5.625.000 6.562.500 9.375.000

Producción anual

kWh 567 567 1488 1488 2451 2451 4879 4879

Ahorro neto en costo energía anual

$*p.a

56700 56700 148800 148800 245100 245100 487900 487900

Tiempo de retorno

años 18,52 26,46 10,58 15,12 16,06 22,95 13,45 19,22

Emisiones de carbón reducidas

kgCO2 244 244 640 640 1093 1093 2098 2098

/p.a

Ahora, haciendo el supuesto de que los mismos cuatro micro-aerogeneradores son ubicados 10 metros más arriba de su altura original, montados en la azotea de algún edificio.

La nueva velocidad a 20 (m), es de 5,64 (m/s). Recordando que la potencia varía con el cubo de la velocidad, la estimación de energía anual producida variara en un factor de 151%.

Tamaño Turbina (kW) Energía anual producida (kWh)

0,4 856

0,6 2247

1,5 3836

2,5 7367

  Tamaño micro-aerogenerador

Medidas de evaluación

Unidad

0,4 (kW) 0,6 (kW) 1,5 (kW) 2,5 (kW)

ConSubv.

Sin Con Subv.

Sin Con Subv.

Sin Con Subv.

Sin

Subv. Subv. Subv. Subv.

Costo de la turbina

$ 1.050.000 1.500.000 1.575.000 2.250.000 3.937.500 5.625.000 6.562.500 9.375.000

Producción anual kWh 856 856 2247     2247 3836 3836 7367 7367

Ahorro neto en costo energía anual

$*p.a 85.600 85.600 224.700 224.700 383.600 383.600 736.700 736.700

Tiempo de retorno

años 12,27 17,52 7,01 10,01 10,26 14,66 8,91 12,72

Emisiones de carbón reducidas

kgCO2 369 369 966 966 1649 1649 3168 3168

/p.a

Los sistemas de generación eléctrica basados en micro-

aerogeneradores son ideales para aplicaciones diversas que

requieran un suministro de energía independiente de la red

eléctrica convencional, o bien que complemente a ésta.

Los factores que más influyen en el rendimiento de un micro-

aerogenerador son la velocidad del viento y el aérea de

barrido del rotor.

la energía eólica en entornos urbanos se ha desarrollado como

Turbinas eólicas integradas en edificios, que por lo general

hacen uso de turbinas eólicas de medianas dimensiones; y

Turbinas eólicas montadas en edificios, donde predominan los

pequeños y micro-aerogeneradores.

Reducciones de costo en el orden de 70% serían necesarias para producir de una amortización, para los cuatro tamaños de turbinas considerados, en el supuesto período de vida útil.

Se confirman la idea de que se puede optimizar la producción de energía eólica integrando turbinas eólicas en ambientes urbanos. El hecho de aumentar la altitud de los micro-aerogeneradores en 10 (m), representa a groso modo lo que significaría el montaje de una turbina en la azotea de un edificio pequeño. La potencia anual producida, idealmente, se puede aumentar en un factor de 151 por ciento.