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• Josue Marcelo Chavarria

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LABORATORIO N°4: USO DEL SIMULADOR SIMA 2.0 (SIMulador Aerogenerador) Integrantes :     

Acosta Olivo, Eduardo Jesús Antonio Apaza Zarate, Hedrich Fernando Ballena Falen, Cristhian Elmer Marcelo Chavarría, Josué Amir Núñez Huamaní, Anthony

Curso: TECNOLOGÍAS DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES Y MEDIO AMBIENTE

Profesor : VELAZCO LORENZO, DINAU

Turno : 01L (91G)

INTRODUCCIÓN. En primer lugar podemos agregar que la energía eólica es la energía cinética del viento y que para su aprovechamiento mismo se desarrollaron a lo largo de la historia diferentes sistemas tecnológicos. En la actualidad, la aplicación más general de la energía contenida en el viento es la producción de electricidad mediante los llamados aerogeneradores, con frecuencia forman parte de los parques eólicos, que se diseñan, construyen y operan con las tecnologías más avanzadas y se conectan a alguna red eólica. El viento se origina a consecuencia de la cantidad de sol que incide sobre el aire, rotación de la tierra y las condiciones atmosféricas. Se calcula que el 2% de la energía solar que recibe la tierra se transforma en energía cinética de los vientos. En la actualidad, los estudios de distintas áreas del pensar han logrado incrementar la fiabilidad de máquinas eólicas, reducir el costo de la energía generada y también los niveles de ruido producidos por los elementos mecánicos que a su vez forman parte de un factor de impacto al estar las máquinas a la intemperie y ser el viento un elemento transmisor de dicha máquina. Las modernas máquinas eólicas transforman la energía cinética del aire en la energía cinética que surge debido a la rotación de un eje, el cual arrastra un alternado y que a su vez este genera la electricidad. Los simuladores nos sirven para poder analizar y diseñar sistemas o productos, también estas pueden brindarnos gráficas con la que fácilmente se pueden visualizar los datos. El SIMA 2.0 es un simulador que trabaja con la energía cinética del viento, es decir, se desarrollará y obtendrá resultados de tipo eólico.

OBJETIVOS.  

Aprender a utilizar el simulador SIMA 2.0 para las aplicaciones con generadores eólicos Aplicar el marco teórico con el que se basa el simulador SIMA 2.0

FUNDAMENTO TEÓRICO. FRENADO IDEAL DEL VIENTO Cuanto mayor sea la energía cinética que un aerogenerador extraiga del viento, mayor será la disminución de la velocidad que sufrirá el viento que deja el aerogenerador por su la parte derecha de dicho aerogenerador en imagen. Si nosotros intentaríamos extraer toda la energía del viento, el aire saldría sin velocidad alguna, es decir, el aire no podría saldría de la turbina. En cuyo caso no se extraería ninguna energía en absoluto, ya que obviamente también se impediría la entrada de aire al rotor del aerogenerador. En caso extremo, el viento podría pasar a través de nuestro tubo sin dificultad. En este caso tampoco se habría extraído ninguna energía del viento. Un aerogenerador ideal ralentizaría el viento hasta 2/3 de su velocidad inicial.

POTENCIA DEL VIENTO La potencia eólica disponible a través de una superficie de sección A perpendicular al flujo del viento v viene dada por el flujo de la energía cinética por unidad de tiempo. Esta es realizada por las palas del rotor. 1 Pviento  . .v 3 . .r 2 (W ) 2  W  depende de la densidad del aire Por tanto, la potencia del viento en Kg 2 m3 , de la superficie sobre la que incide  m  y del cubo de la velocidad m s . del viento





 

COEFICIENTE POTENCIA El coeficiente de potencia indica con qué eficiencia el aerogenerador convierte la energía del viento en electricidad. Simplemente dividiendo la potencia eléctrica disponible por la potencia eólica de entrada, para medir como de técnicamente eficiente es un aerogenerador. Es decir, tomamos la curva de potencia y la dividimos por el área del rotor para obtener la potencia disponible por metro cuadrado de área del rotor. Posteriormente, para cada velocidad del viento, dividimos el resultado por la cantidad de potencia en el viento por metro cuadrado. El gráfico muestra la curva del coeficiente de potencia para un aerogenerador típico. Aunque la eficiencia media de estos aerogeneradores suele estar por encima del 20 por ciento, la eficiencia varía mucho con la velocidad del viento (pequeñas oscilaciones en la curva suelen ser debidas a errores de medición). Como puede observar, la eficiencia mecánica del aerogenerador más alta (en este caso del 44%) se da a velocidades alrededor de 9 m/s. Este valor ha sido elegido deliberadamente por los ingenieros que diseñaron la turbina. A bajas velocidades del viento la eficiencia no es tan alta, ya que no hay mucha energía que recoger. A altas velocidades del viento, la turbina debe disipar cualquier exceso de energía por encima de aquella para la que ha sido diseñado el generador. Así pues, la eficiencia interesa sobretodo en la zona de velocidades de viento donde se encuentra la mayor parte de la energía. La potencia eólica extraída o captada del viento por el rotor de la máquina se conoce como Potencia Eólica Aprovechada (Pa). El rendimiento de conversión se describe por un Coeficiente de Potencia (Cp) definido como la relación entre la potencia aprovechada y la disponible (Cp=Pa/Pd). Es la fracción de la energía cinética del viento convertida en energía cinética de rotación en el rotor del aerogenerador.

TEORIA DE BETZ. La ley de Betz dice que sólo puede convertirse menos de 16/27 (el 59 %) de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador. La ley de Betz fue formulada por primera vez por el físico alemán Albert Betz en 1919. Su libro "Wind-Energie", publicado en 1926, proporciona buena parte del conocimiento que en ese momento se tenía sobre energía eólica y aerogeneradores. Es sorprendente que se pueda hacer una afirmación general tan tajante que se pueda aplicar a cualquier aerogenerador con un rotor en forma de disco. La demostración del teorema requiere algo de matemáticas y de física. LÍMITE DE BETZ: Para calcular cuándo tendremos máxima potencia mecánica, derivamos e igualamos a cero:

dPm

da

 2. .S .V13 .(1  4a  3a 2 )  0

La máxima potencia ocurre cuando a = 1/3, por tanto: Pm  1  .S .V13 .16 27 2 Este valor, es el máximo valor de la potencia contenida en el tupo de corriente del aire que es capaz de extraer el rotor de una aeroturbina. Una turbina eólica puede convertir en energía mecánica como máximo un 59,26 % de la energía cinética del viento que incide sobre ella. La teoría de Betz es una simplificación ya que no tiene presente algunos aspectos existentes en la práctica como resistencia aerodinámica de las palas, pérdida de energía por turbulencia de la estela, la compresibilidad del aire y la propia interferencia entre las palas. Esta teoría es sólo una aproximación al problema de determinar la potencia que puede obtenerse de una eólica de eje horizontal, pero es útil para establecer un límite superior para el coeficiente de potencia Cp (rendimiento de conversión de potencia eólica-mecánica un aerogenerador).

SIMULADOR SIMA INSTALACIÓN Descargar

el simulador del siguiente link: https://drive.google.com/uc? id=1IuIf5OjGSkVCuG_4AFny2yptWDq0sxmB&export=download y luego descomprimir el archivo Sima2.zip y ejecutar setup.exe

  Luego nos aparecera esta ventana, pulsamos en next>> para comenzar la instalacion

  El simulador está realizado en Labview 9.0 por lo tanto es necesario disponer de las Run Time de Labview para poder ejecutarlo. El software de National Instruments se instalará por defecto en el ordenador sino existe una versión del mismo, en caso de que existiera este paso se omitiría.

  Seleccionamos los directorios de instalación para el SIMA 2.0 y para el software de National Instruments Run-Time, y pulsaremos en next>>. En la ventana que aparecerá se nos indicará el contrato de Licencia del Software que está a punto de instalarse, en este caso seleccionaremos la opción de ACEPTAR 

  Como se mencionó anteriormente, es necesario disponer de las Run-Time de Labview, por lo que si es necesario instalarlas se indicará en la siguiente

ventana, aquí se podrá observar el software que se instalará en el equipo. Tras pulsar sobre siguiente comienza la instalación del software.

 Luego le damos en Finish Para finalizar la instalación le damos en Restart

PARTES DEL SIMULADOR El simulador SIMA 2.0 posee varias utilidades que nos pueden ayudar en nuestro proyecto del generador eólico

1. Potencia Aerogenerador. Dimensiones En este apartado podemos variar la velocidad de viento, densidad del aires, coeficiente de potencia máxima y la longitud de la pala pada poder obtener un aproximado de cuanta potencia de viento y potencia de aerogenerador podemos obtener. Además, nos proporciona una imagen en 3D de la forma de la pala. 2. Rugosidad

En este apartado podemos determinar la cantidad de potencia generada por parte de un aerogenerador sobre una superficie rugosa (mar, terreno llano, terreno semillano y terreno arbolado) variando la altura del rotor con respecto a la superficie, la superficie donde esta montado el aerogenerador y el viento ideal, (el viento del aerogenerador varia automáticamente al variar la velocidad de viento

3. Curva de Regulación Este apartado nos permite variar la velocidad del viento y con ello, a través de un grafico 3D de un aerogenerador y una gráfica, observar el comportamiento del aerogenerador al aumentar la velocidad de viento con respecto a la grafica de la curva de regulación de un aerogenerador (potencia vs velocidad de viento). 4. Arranque, Regulación y Orientación

En este apartado podemos ajustar la orientación del viento a traves de la rosa de vientos, la velocidad del viento, la longitud de la pala, el ancho de la pala, la altura del mástil y el zoom de la figura 3D, asi obteniendo una simulación de cómo se puede posicionar el aerogenerador. 5. Partes de un Aerogenerador

En este apartado debes de colocar las partes del aerogenerador en los cuadros de la parte inferior de manera correcta. Este apartado sirve para practicar sobre la ubicación de las partes del aerogenerador. 6. Implementación, Control Hardware

En este apartado podemos controlar el aerogenerador mediante tad. Se puede cambiar la orientación de forma manual, además de obtener lecturas de la orientación de la veleta y el aerogenerador, además de la potencia generada. También nos muestra el muestreo de la velocidad de viento y el muestreo de la velocidad del aerogenerador en forma de graficas 7. Cuestiones sobre Aerogeneradores

En este apartado nos brinda información útil y cuestiones sobre los aerogeneradores 8. Enlaces de interés

El ultimo apartado nos muestra links a diversas paginas que nos puede resultar útiles.

ANÁLISIS DE DATOS Y DESARROLLO DE PROBLEMAS. PRÁCTICA 1: POTENCIA DEL AEROGENERADOR DIMENSIONES. TEOREMA DE BETS. La potencia que posee el viento incidente sin perturbar y de velocidad V1 viene dada por la expresión: 1 P0= ρS V 31 2 Donde:

 ρ=Densidad del aire  S=Superficie ❑  V 1 =Velocidad del viento 1. Simula la dependencia de la velocidad del viento respecto de la potencia obtenida en el aerogenerador en las siguientes condiciones:  Densidad del aire ρ=1.2 Kg/m3  Longitud Pala: 40m  Coeficiente de potencia: 47% Tomando el cálculo con el programa SIMA 2, se obtiene la siguiente tabla: Velocidad Viento (m/s)

5

10.2

15.1

17.6

20.1

25

30

Potencia de Viento (W)

189K

161M

5.21M

8.26M

12.3M

23.7M

40.9M

Potencia Aerogenerado r (W)

88.9K

755K

2.45M

3.88M

5.78M

11.1M

19.2M

¿Por qué los valores de potencia del aerogenerador aumentan desde decenas de kw a decenas de Mw? Porque la velocidad de viento, la potencia de viento y la potencia del aerogenerador son magnitudes que aumentan directamente proporcionales. 2. Manteniendo constante la densidad del aire y el coeficiente de potencia, modifica ahora la longitud de la pala y completa las tablas siguientes:  Densidad del aire ρ=1.2 Kg/m3  Longitud Pala: 30m  Coeficiente de potencia: 47%

Velocidad Viento (m/s)

5

10.2

15.1

17.6

20.1

25

30

Potencia de Viento (W)

107K

908K

2.95M

4.67M

6.95M

13.4M

23.1M

Potencia Aerogenerado r (W)

50.2K

426K

1.38M

2.19M

3.26M

6.28M

10.9M

  

Densidad del air ρ=1.2 Kg/m3e Longitud Pala: 55m Coeficiente de potencia: 47%

Velocidad Viento (m/s)

5

10.2

15.1

17.6

20.1

25

30

Potencia de Viento (W)

357K

3.03M

9.82M

15.6M

23.2M

44.6M

77M

Potencia Aerogenerado r (W)

167K

1.42M

4.61M

7.3M

10.9M

20.9M

36.2M

Indica en que influye la longitud de la pala en la potencia del aerogenerador: Cuando tenemos mayor longitud de la pala hay mayor margen de potencia de viento que puede captar la pala, y por consiguiente hay mayor potencia del aerogenerador:

3. Para las condiciones que se indican y un valor de velocidad del viento que quieras, modifica la densidad del aire según la tabla siguiente.

   

Los valores de densidad de aire varían entre valores de 0,87 a 1,42 Velocidad de viento de 20.1 m/s Longitud Pala: 45m Coeficiente de potencia: 40%

Densidad de Aire(kg/m^3)

0.87

1

1.16

1.32

Potencia de Viento (W)

11.3M

13M

15M

17.1M

Potencia Aerogenerado r (W)

4.55M

5.23M

6.06M

6.9M

   

Los valores de densidad de aire varían entre valores de 0,87 a 1,42 Velocidad de viento de 30 m/s Longitud Pala: 45m Coeficiente de potencia: 40%

Densidad de Aire(kg/m^3)

0.87

1

1.16

1.32

Potencia de Viento (w)

37.5M

43.1M

50M

56.9M

Potencia Aerogenerado r (w)

15.1M

17.4M

20.2M

22.9M

Con los valores obtenidos, crees que la densidad del aire influye mucho o poco en la potencia del aerogenerador. ¿Por qué? La densidad del aire influye mucho ya que, con los datos obtenidos de las 2 tablas con velocidades de viento de 20.1m/s y 30m/s respectivamente, la potencia de viento con la potencia del aerogenerador aumenta conforme va aumentando la densidad de viento.

4.   

Plantea las condiciones fijas de trabajo del aerogenerador como tu quieras y modifica el valor del coeficiente de potencia tomando 5 valores entre 20% y 59%

Velocidad de viento de 20.1 m/s Longitud Pala: 40m Densidad del aire: ρ=1.1 Kg/ m3

Coeficiente de potencia

20%

27.1%

36.1%

47.6%

59%

Potencia de Viento (W)

11.3M

11.3M

11.3M

11.3M

11.3M

Potencia Aerogenerado r (W)

2.24M

3.05M

4.07M

5.36M

6.65M

  

Velocidad de viento de 30 m/s Longitud Pala: 40m Densidad del aire: ρ=1.1 Kg/ m3

Coeficiente de potencia

20%

27.1%

36.1%

47.6%

59%

Potencia de Viento (W)

37.5M

37.5M

37.5M

37.5M

37.5M

Potencia Aerogenerado r (W)

7.45M

10.2M

13.5M

17.8M

22.1M

Indicar cual es el significado del coeficiente de potencia y porque su valor máximo es de 59% PRACTICA 2: RUGOSIDAD 1. Disponemos de un aerogenerador de 850KW de potencia, por lo tanto se pretende que trabaje al máximo de su potencia, para ello deberás ajustar la altura de la torre en función del tipo de terreno (rugosidad) en el que el aerogenerador se vaya a encontrar Ajusta la velocidad del viento necesaria para alcanzar la máxima potencia Rugosidad

0 (Mar)

1 (Terreno llano)

2 (Terreno semillano)

3 (Terreno Arbolado)

Altura de la torre

70M

70M

70M

70M

Viento (m/s) ideal

16 m/s

18.64 m/s

21.02 m/s

24.05 m/s

Viento (m/s) aerogenerador

15.1m/s

15.15m/s

15.13 m/s

15.13m/s

850 KW

850 KW

850 KW

850 KW

Potencia aerogenerador (KW)

INFLUENCIA DE LA RUGOSIDAD 1. Coloca los datos obtenidos para la potencia máxima del aerogenerador para rugosidad 0 (MAR), en la tabla siguiente 2. Para esas mismas condiciones modifica la rugosidad colocando los valores obtenidos en la tabla, indicando la diferencia respecto a la condición

1 (Terreno llano) Rugosidad

2 (Terreno semillano)

3 (Terreno Arbolado)

0 (Mar) Valor

Diferencia

Valor

Diferencia

Valor

Diferencia

Altura de la torre

70 m

70 m

0m

70 m

0m

70m

0m

Viento (m/s) ideal

16 m/s

16 m/s

0 m/s

16 m/s

0 m/s

16 m/s

0 m/s

Viento (m/s) aerogenerado r

15.1 m/s

12.8 m/s

2.3 m/s

11.6 m/s

3.5 m/s

9.8 m/s

5.3 m/s

Potencia aerogenerado r (KW)

850 KW

657 KW

193 KW

530 KW

320 KW

405 KW

445 KW

PRACTICA 3: CURVA DE REGULACION Se trata de observar el comportamiento de un aerogenerador ante la variación del viento 1. Para ello, modifica la velocidad del viento según los valores indicados en la tabla y obtén en la grafica el valor de potencia aproximado 2. Observa el comportamiento del aerogenerador en la animación, y descríbelo en la tabla Viento(m/s)

Potencia(KW)

Comportamiento del aerogenerador

3.5

0 KW

El aerogenerador no presenta movimiento

7.6

200 KW

Presenta movimiento con velocidad muy baja

10.8

500 KW

13.7

720 KW

Aceleró apenas un poco con respecto al anterior estado La velocidad del aerogenerador aumentó

16

850 KW

Presentó un mínimo aumento en su velocidad

21

850 KW

El aerogenerador se mantiene a velocidad constante

27

0 KW

No se aprecia movimiento

CURVA DE REGULACION

1. Representa en la gráfica siguiente los valores obtenidos 2. Indica y explica el significado de Va, Vn, Vs y Vss Va: velocidad de arranque, es la velocidad mínima necesaria para que el aerogenerador se active o empiece a funcionar. Vn: velocidad nominal, es la velocidad en donde el aerogenerador genera una potencia que se mantiene constante, Vs: velocidad de parada o de salida, el aerogenerador dejará de generar energía. Vss: velocidad de supervivencia, el aerogenerador no produce energía, ya que la velocidad del viento es demasiada y podría presentar fallas en el rotor. 3. Explica el comportamiento del aerogenerador según la forma de la curva de regulación de potencia El aerogenerador funciona y genera energía a partir de la velocidad del viento, como hemos visto anteriormente, si la velocidad del viento es menor a 5 m/s, el aerogenerador no funciona, una vez pasada la barrera de los 5m/s el aerogenerador empezará a funcionar, mientras mayor sea la velocidad del viento, mayor será la energía producida. Cuando la velocidad del viento sea superior a los 15 m/s (velocidad nominal), la ganancia de energía se mantendrá constante, hasta que el viento supere la velocidad de salida (o máxima que puede soportar el aerogenerador), en este caso 25 m/s, una vez pasada esta barrera el aerogenerador dejará de generar energía para evitar daños en el rotor.

PRACTICA 4: ARRANQUE, ORIENTACIÓN Y REGULACIÓN Condiciones iniciales para una mejor observación del comportamiento del aerogenerador • Altura de mástil máxima. En este caso la máxima altura es 150

• Zoom: 25%

• Posición del aerogenerador con las palas frente a ti coloca la torre en vertical. (Puedes modificar la disposición del aerogenerador pulsando y arrastrando en la pantalla que lo muestra,)

• La posición de la longitud y ancho de pala no es importante, aunque para verlo mejor se recomienda un ancho de pala pequeño.

• 1º.- Para que el aerogenerador funcione debes modificar la velocidad del viento. El aerogenerador regulará la potencia en función de la velocidad del viento, modificando el ángulo de las palas, siguiendo la curva de regulación de la práctica anterior. -

Se tiene para distintas velocidades Para una velocidad de 10

Para una velocidad de 20

• 2º.- En este ejercicio se trata de observar el comportamiento del aerogenerador, modificando la dirección del viento. Para ello debes pulsar el botón correspondiente y con el ratón indicar la dirección del viento en la imagen de la brújula, una vez establecida la dirección pulsa el botón aceptar.

Para una orientación de 45°

Para una orientación de 198°

PRACTICA 5: PARTES DE UN AEROGENERADOR Debes poner cada parte del aerogenerador en su sitio, pinchando y arrastrándolo desde la columna de la izquierda “Partes de un aerogenerador” al número que indica su posición en la figura. Si aciertas, el nombre aparecerá en la posición, si fallas, no se moverá

PROCEDEMOS A PONER CADA PARTE EN SU LUGAR

Escribe el resultado de la practica en la siguiente tabla

1

Palas

2

Torre

3

Bastidor

4

Generador

5

Eje principal

6

Sensores

7

Freno Disco

8 9

Freno Disco Generador

PARTES DE UN AEROGENERADOR 1 Radiador Generador 0 1 Torre 1 1 Sistema hidráulico 2 1 Rodamiento y Engranaje 3 1 Motor de giro 4 1 Rodamiento y Engranaje 5 1 Cubierta Gondola 6 1 Cubierta 7

CONCLUSION FINAL: 





SIMA 2.0 nos brinda diferentes parámetros como la potencia de viento, la potencia de aerogenerador, dimensiones, rugosidad, curva de regulación, arranque, regulación y orientación. Este simulador de aerogenerador nos permite poner a prueba y realizar un estudio preciso en una zona sin estarlo necesariamente y evitar costos extras a causa del traslado y movilidad de personal, materiales, etc. Como se puede ver, la interfaz y características de SIMA 2.0 está basada en la ley de Betz como previamente se estudió en la parte teórica.

AGRADECIMIENTOS ESPECIALES El proyecto SIMA 2.0 Simulador de Aerogenerador ha sido desarrollado en el Centro Integrado de Formación Profesional Santa Catalina en Aranda de Duero (Burgos) por dos profesores de dicho Centro.  

D. Joaquín Cubillo Arribas, profesor de Enseñanza Secundaria de la especialidad Sistemas Electrónicos y actual Director del Centro ha sido el coordinador y desarrollador de dicho proyecto. D. Miguel López Ruiz, profesor de Enseñanza Secundaria de la Especialidad Sistemas Eléctricos y Automáticos y actual profesor del módulo de Energías Renovables ha aportado la documentación y prácticas de este proyecto.

SIMA 2.0 ha sido desarrollado mediante el Software de Nationals Instruments LabView. Para la ejecución de dicho proyecto no es necesario instalar dicho software de desarrollo, sino únicamente las librerías necesarias para que SIMA 2.0 se ejecute de forma adecuada y que se distribuyen con la aplicación.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS  

  

Libro de energías renovables y eficiencia energética-Primera edición, abril 2008 del Instituto Tecnológico de Canarias, S.A. Centrales de energías renovables-Generación eléctrica con energías renovables,Madrid,2009-José Antonio Carta González-Roque Calero Pérez. http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4774/fichero/CAPITULO+1+INTROD UCCION+TEORICA.pdf http://www.scielo.org.co/pdf/cient/n31/2344-8350-cient-31-00019.pdf https://fpsantacatalina.com/sima/about.php