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Dr. Jesús Cerezo Román
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN INGENIERIA Y CIENCIAS APLICADAS
UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL ESTADO DE MORELOS
Cuernavaca, Morelos a 25 de septiembre de 2018
EVALUACIÓN DEL RECURSOS ENERGÉTICO EN
TRNSYS
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BAJAR ARCHIVO DE INSTALACION DE LA VERSION DEMO
2
http://www.trnsys.com/demo/
Restricciones:
Máximo 5 Types
64 bits (no muy especifico)
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CONTENIDO
1. GENERALIDADES DE LA ENERGÍA EÓLICA
1.1 Generación y medición del viento
1.2 Funcionamiento de un aerogenerador
2. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE TRNSYS
3. SIMULACIÓN DE UN AEROGENERADOR DE 600 kW
3.1 Descripción y conexión del módulo de datos meteorológicos
Meteorológicos graficador análisis
3.2 Especificaciones del módulo aerogenerador. Análisis de los resultados.
4. Ejemplos
5. Simulación de un colector solar con almacenamiento térmico.- Descripción, conexión y especificaciones:
Meteorológicos colector solar análisis
Meteorológicos colector solar tanque de almacenamiento
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1. GENERALIDADES DE ENERGÍA EÓLICA
• La Tierra recibe una gran cantidad de energía
procedente del Sol que en lugares favorables puede
llegar a ser del orden de 2000 kW/m2 anuales; el 2% de
ella se transforma en energía eólica.
• El movimiento del aire es originado por el diferente
calentamiento de la superficie de la tierra, donde el flujo
de aire se dirige de la zona mas alta a la mas baja de
presión.
• La energía eólica tiene como ventajas de ser inagotable,
gratuita y no lesiva al medio ambiente, pero tiene el
inconvenientes de ser dispersa y aleatoria.
NATURALEZA DEL VIENTO
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a) La radiación solar que es más importante en el
Ecuador que en los Polos.
b) La rotación de la Tierra que provoca desviaciones hacia
la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en
el Hemisferio Sur
c) Las perturbaciones atmosféricas.
CAUSAS PRINCIPALES DEL ORIGEN
DEL VIENTO
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a) La radiación solar
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a) La radiación solar
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En el hemisferio norte el viento tiende a girar en el sentido
contrario al de las agujas del reloj (visto desde arriba) cuando
se acerca a un área de bajas presiones. En el hemisferio sur el
viento gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de
áreas de bajas presiones.
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b) La rotación de la Tierra
EFECTO CORIOLIS
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VIENTOS
VIENTO LOCAL: Este tipo de vientos se originan por
diferencias de calentamiento sobre la superficie.
TIPOS DE VIENTOS
• LOCALES
• OROGRÁFICOS
c) Las perturbaciones atmosféricas
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Vientos LocalesBrisa Marina
Es originada por la desigualdad calorifica del mar y de la tierra
c) Las perturbaciones atmosféricas
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VIENTOS OROGRÁFICOS
Este tipo de vientos son originados por efecto del
relieve. Cuando el viento choca con un obstáculo,
se ve obligado a subir sobre este.
El fenómeno de ascensión del viento da origen a
ciertas condiciones particulares, debido a las
variaciones de las características meteorológicas,
encontradas en diferentes lugares de la Tierra,
dando origen a ciertos fenómenos especiales.
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EVALUACIÓN DEL RECURSO EÓLICO PARA
AEROGENERADORES
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El viento viene definido por dos parámetros esenciales que son: su
dirección y su velocidad.
Los meteorólogos crearon una gráfica llamada Rosa de los vientos que
nos permite representar simultáneamente la relación que existe entre las
características que componen el viento y su valoración a lo largo del
tiempo.
ROSA DE VIENTOS
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• La veleta que indica la dirección del viento debe ser orientada así
que su posición del punto muerto y no estar dirigida hacia el viento
predominante. Es práctica común que el punto muerto de la veleta
coincida con el norte geográfico y se marque como 0°.
VELETA
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El aparato utilizado para medir la velocidad del viento es llamado
anemómetro. Los fenómenos que dependen de la velocidad del viento se
utilizan para medirla, existen tres técnicas diferentes para hacerlo las cuales
utilizan tres parámetros para medir la velocidad en forma directa: el empuje,
la presión y el efecto de enfriamiento.
SISTEMAS DE MEDICIONES Y EVALUACIÓN DEL
RECURSO EÓLICO
Ultrasonido
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CONFIGURACION DE ESTACIÓN
METEREOLÓGI CA
La toma de datos son:
1. velocidad y dirección
del viento,
2. Temperatura,
3. Presión barométrica,
4. Humedad relativa
5. Precipitación
6. Radiación Solar
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CONFIGURACION DE ESTACION
METEREOLOGI CA
La toma de lectura del viento debe hacerse como
mínimo a 3 diferentes alturas:
• 40 m (altura del rotor),
• 25 m (altura de la punta inferior de la pala) y a
• 10 m (altura estándar meteorológica)
Se deben de tomar al menos durante un año,
para seleccionar correctamente la zona del
terreno mas idónea
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MAPA DE POTENCIA EN MÉXICO
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MAPA DE POTENCIA EN MÉXICO
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GENERACIÓN EÓLICA MUNDIAL
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GENERACIÓN EÓLICA POR PAÍSES
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tvAE 3
2
1
2
2
1vmEc
AxVm
tvx
---------- (1)
tAvm Ec= Energía cinética
m = Masa del aire
v = Velocidad del aire
Energía del Viento
ENERGÍA CINÉTICA
La masa es:
---------- (3)
= Densidad del aire
V = Volumen de aire
A = Área transversal
Si:
Sustituyendo en (2) se tiene:
Finalmente sustituyendo (3) en (1) se tiene:
t = Tiempo
---------- (2)
2da LEY DE NEWTON O LEY DE LA
FUERZA
F = m a
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3
CURVA DE POTENCIA DEL VIENTO
Potencia del Viento
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
0 10 20 30 40 50 60
Velocidad (m/s)
Po
ten
cia
(W
/m2
)
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0
0
ln
ln
z
z
z
z
zVzVr
ree
Ve(zr) = Velocidad estacionaria medida a
la altura z (altura de referencia)
Ve(z) = Velocidad estacionaria estimada
a la altura z
z0 = Rugosidad del terreno
RUGOSIDAD DE LA SUPERFICIE
ESTIMACIÓN PARA EL CALCULO DE LA
VELOCIDAD A CIERTA ALTITUD
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VALORES DE RUGOSIDAD
Tipo de Terreno Z0 (mm)
Muy suave; hielo o lodo 0.01
Mar abierto en calma 0.20
Mar picado 0.50
Superficie de nieve 3.00
Césped 8.00
Pasto quebrado 10.00
Campo preparado para cultivo 30.00
Cultivo 50.00
Pocos árboles 100.00
Varios árboles, hileras de árboles,
pocas construcciones
250.00
Bosques, tierras cubiertas con
árboles
500.00
Suburbios 1500.00
Centros de ciudades con edificios
altos
3000.00
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Desarrollo de aerogeneradores para interconexión a red
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850 kW
48 metros de diámetro
Aerogenerador moderno horizontales
3 MW
90 metros de diámetro
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AEROGENERADORES VERTICALES
Sabonius
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AEROGENERADORES EN DESARROLLO
Celdas fotovoltaicas
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1.- Rotor
2.- Góndola
3.- Torre
4.- Cimiento
Componentes de un aerogenerador moderno
2.1 COMPONENTES Y PRINCIPIOS DE OPERACIÓN
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Transmisión Generador
Cubo
Tolva protectora
Motor de orientación
Flecha principalChasis principal
Torre
Freno de disco
Aspas
COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR DE
GRAN CAPACIDAD
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FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE UN ELEMENTO DE
LA PALA
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FUERZA DE SUSTENTACIÓN Y ARRASTRE
Coeficiente de arrastre: CD
Genera una fuerza en ladirección opuesta al giro delrotor que se opone almovimiento
PROPIEDADES DEL PERFIL
Coeficiente de levantamiento: CL
Genera una fuerza en ladirección del giro del rotor yproporciona trabajo útil.
CL y CD son calculados
experimentalmente
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Porcentaje de aportación de potencia
Tip speed ratio
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ROTOR AERODINÁMICO
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Material Densidad (kg/m3) Costo (USD/kg)
Acero 7,800 5.5 - 8
Madera laminada - resina
epóxica
550 10 - 15
Fibra de vidrio - resina de
poliéster
1,800 10 - 15
Fibra de vidrio - resina epóxica 2,000 12 - 18
Fibra de carbón - resina epóxica 1,500 20 - 100
Materiales utilizados para la construcción de aspas
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Cubo del rotor
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Góndola ensamblada en torre
• Tren de potencia
• Generador eléctrico
• Subsistema de orientación
• Subsistema de regulación de
potencia
• Subsistema de seguridad
• Chasis principal
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Subsistemas principales
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Elementos de protección contra rayos
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Pv = Potencia del viento
Pr = Potencia a la salida del rotor
Pm = Potencia mecánica
Pe = Potencia eléctrica
Gmpt vC
vC p m GePvP mPrP
t = Eficiencia de conversión
Cp(v) = Coeficiente de potencia del
rotor
m = Eficiencia de la transmisión
G = Eficiencia del generador
Eficiencia de conversión de un SCEE
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Velocidad
nominal
Velocidad
de salidaVelocidad
de inicio
Velocidad de
supervivencia
CURVA DE POTENCIA
AEROGENERADOR de 850 kW
P o
t e
n c
i a
(
K w
)
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3
TRaNsient System Simulation Program
TRNSYS es un paquete de software comercial desarrollado en la
Universidad de Wisconsin. Uno de sus usos originales fue realizar la
simulación dinámica del comportamiento de un sistema de agua
caliente solar para un año típico meteorológicos a fin de que se pueda
comprobar los ahorros de costes a largo plazo de estos sistemas.
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4
2. TRaNsient System Simulation Program
TRNSYS es un programa de simulación utilizado
principalmente en los campos de la ingeniería de las
energías renovables y la simulación de sistemas solares
pasivos, así como el diseño solar activo.
Permite diseñar y optimizar sistemas energéticos
(principalmente en energías renovables) y edificios de bajo
consumo de energía (Consumo neto cero de energía).
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5
TRaNsient System Simulation Program
TRNSYS se compone de dos partes:
1. La primera parte de TRNSYS es una amplia biblioteca de
componentes incluye aproximadamente 150 modelos:
Bombas, edificios multizona, turbinas de viento,
electrolizadores, procesadores de datos meteorológicos, rutinas
de economía o equipos básicos de climatización con las nuevas
tecnologías emergentes.
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6
TRaNsient System Simulation Program
TRNSYS se compone de dos partes:
1. La segunda es un motor (llamado kernel) que lee y procesa el archivo de
entrada, de manera iterativa resuelve el sistema, determina la convergencia, y
visualiza las variables del sistema.
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7
TIPOS DE TYPES
Type de
entrada
Type de
proceso
Type de
salida
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8
TRaNsient System Simulation Program
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9
TRaNsient System Simulation Program
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10
PERFILES METEREOLOGICOS EN TRNSYS
OBJETIVO:
• FORMA DE CONEXIÓN DE LOS DIFERENTES MODULOS (TYPES)
EN TRNSYS
• ANALIZAR LOS PERFILES DE TEMPERATURA, RADIACIÓN,
VELOCIDAD DE VIENTO EN UN DIA, UNA SEMANA Y ANUAL
• CUANTIFICACIÓN DE LA ENERGIA MENSUAL Y ANUAL
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11
PERFILES METEREOLÓGICOS EN TRNSYS
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12
CUANTIFICIÓN DE LA RADIACIÓN
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13
INTEGRACIÓN DIARIA
Printer/unformated/ No units
Utility/integrators/quantity
integrator
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14
INTEGRACIÓN TOTAL
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15
SIMULACIÓN DE UN AEROGENERADOR
Objetivo:
Analisis de los resultados
Potencia anual
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16
Rated power: 600.0 kW
Cut-in wind speed: 2.5 m/s
Rated wind speed: 12.0 m/s
Cut-out wind speed: 28.0 m/s
Diameter: 43.7 m
Swept area: 1.521,0 m²
Number of blades: 3
Rotor speed, max: 34.0 U/min
Tipspeed: 77.8 m/s
Type: AERO E-40
Material: GFK
Rotor
Potencia
Manufacturer: Enercon GmbH
Country: Germany
Enercon E40 600/46
Glass-Fiber
Reinforced Plastic
Hub height: 50/58/65/78 m
Type: Steel tube
Shape: conical
Corrosion protection: painted
Manufacturer: SAM
Torre
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17
Rotor
Type: synchronous
Number: 1.0
Speed, max: 34.0 U/min
Voltage: 440.0 V
Grid frequency: 50.0 Hz
Hersteller: Enercon
GeneradorPeso
Rotor: 8.7 t
Nacelle: 20.5 t
Tower, max: 99.0 t
http://en.wind-turbine-models.com/turbines/68-enercon-e-40-6.44
Enercon E40 600/46
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18
CURVA DE POTENCIAVelocidad
(m/s)
Potencia
(kW)
0 0
1 0
2 0
3 1.7
4 14.7
5 41.4
6 79.6
7 135.8
8 207.5
9 295.4
10 405.2
11 508.1
12 571.4
13 600
14 600
15 600
16 600
17 600
18 600
19 600
20 600
21 600
22 600
23 600
24 600
25 600
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 5 10 15 20 25 30
Pote
nci
a,
kW
Velocidad del viento, m/s
Enercon E40 600/46
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19
GRAFICO EN TRNSYS
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20
CONTROL
a. Control de Punta de Pala (Stall Control) Tomaventajas al reducir sustentación aerodinámica paraaltos valores de ángulos de ataque reduciendo eltorque a altas velocidades. Los alabes en máquinascontroladas por punta de pala están sujetasrígidamente al resto del buje, resultando en una simpleconexión.
b. Control de la totalidad de la pala (Pitch Control)Los alabes pueden ser rotados a lo largo del eje axialcambiando de esta manera el ángulo de abatimiento.
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21
ARCHIVO DE LECTURA
WECS_Typ Enercon E40 600/46 ! Wind Turbine type --
WECS_REF www.enercon.de ! Data source
Len_Unit m ! Length unit, must be m (do NOT edit)
Spd_Unit m/s ! Speed unit, must be m/s (do NOT edit)
Pwr_Unit kW ! Power unit, must be m (do NOT edit)
Ctl_mode S ! Control mode: S=stall; P=pitch; V=variable speed
Rotor_Ht 46.00 ! Rotor center height, meters
Rotor_Di 43.7 ! Rotor diameter, meters
Sensr_Ht 46.00 ! Sensor Height for data pairs given here below, meters (often rotor center height)
Sher_Exp 0.16 ! Power-law exponent for vertical wind profile
Turb_Int 0.10 ! Turbulence intensity valid for this curve
Air_Dens 1.225 ! Power curve air density, kg/m3
Pwr_Ratd 605.00 ! Rated power of the turbine, kW
Spd_Ratd 13.50 !Rated wind speed, m/s
Num_Pair 35 ! Number of (wind speed, power) data pairs in the file
0.50 0.00 ! First data pair (wind speed, power) - Free format - ALWAYS START AT 0.0 !!!
1.75 0.00 ! Second data pair - Free format
2.75 4.90
3.5 19.1 ! ...
! Use Maximum 100 data pairs !!!
! ...
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22
AEROGENERADOR
Wind velocity increase with altitude and wind moving across the Earth's
surface is slowed down by obstructions like buildings, trees and similar.
This wind shear can be expressed as
v / vo = (h / ho)α
where
v = the velocity at height h (m/s)
vo = the velocity at height ho (m/s)
α= the wind shear exponent
The wind shear exponent varies with terrain.
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23
INTENSIDAD DE TURBULENCIA
turbulence is major factor in contributing to the fatigue of turbine components.
It contributes to errors in the preparation of powercurves. Higher turbulence causes power fluctuations,since pitch controlled blades may not be able to adjusttheir blade pitch sufficiently quickly to follow the rapidlyvarying wind speeds, which can result in potentiallyunstable power output events.
The time base for turbulence data is usually over an hour, withmeasurements stored at 1 Hz. A turbulence intensity of 10% isequivalent to a standard deviation of 1m/s in an hour with a meanvalue of 10 m/s.
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24
EJEMPLOS
3. c:\ program file(86) \ Trnsys16 \ Example \ Feed back control / SDHW
hr
flujo
(kg/h)
0 0
7 0
7 0.2
9 0.2
9 0
11 0
11 0.1
13 0.1
13 0
18 0
18 0.1
22 0.1
22 0
24 0
0, 07, 0
7, 0.2 9, 0.2
9, 0 11, 0
11, 0.1 13, 0.1
13, 0 18, 0
18, 0.1 22, 0.1
22, 0 24, 00
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
flu
jo m
asi
co (
kj/
h)
hr
1. c:\ program file(86) \ Trnsys16 \ Example \ Restaurant
2. c:\ program file(86) \ Trnsys16 \ Example \ Wind Diesel