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Documento de energia eolica, Apuntes de Energía y Medio Ambiente

Ley de betz para sistemas de generación de energia eolica

Tipo: Apuntes

2018/2019

Subido el 27/11/2019

Irving12
Irving12 🇨🇷

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\section{\normalize{Ley de Betz y máxima eficiencia de conversión}}
Este sistema lo que permite es la generación de potencia del viento utilizando turbinas eólicas
usadas como obstáculo para obstruir el movimiento natural del viento. Se sabe que cuando el viento
pasa por un rotar este puede generar energía cinética en las turbinas antes mencionadas, pero esta no
sedera toda esta energía, esto se debe a que el viento conserva una cierta velocidad. La energía
cinética total con la que ingresa el viento al rotor se va distribuyendo en diferentes sectores, uno es
la energía cedida al rotor, otra es la que conserva el viento a la salida del mismo y por último
pequeñas partes de la energía se pierde por rozamientos aerodinámicos y mecánicos.\\
Es importante definir algunos parámetros a tomar en cuenta como lo puede ser la potencia (P) que
se obtiene en el rotor la cual puede ser usada para alimentar un alternador eléctrico o bombas
hidráulicas, esta es la potencia al freno o del eje de rotor. Se dijo que el viento posee una energía
antes de ser pasada por el rotor, esta presenta una potencia la cual es la potencia eólica disponible
(P_d), conociendo estos valores de potencias antes mencionados se puede obtener la conversión de
potencia (C_p) la cual es una relación entre la potencia del rotor y la disponible.
\begin{equation}
C_p = \frac{P}{P_d}=\frac{P}{\frac{1}{2}\rho\cdot v^3\cdot A}
\end{equation} \begin{equation}
C_p = \frac{P}{P_d}=\frac{P}{\frac{1}{2}\rho\cdot v^3\cdot A}
\end{equation}
En la Ecuación 1 se muestra como calcular el coeficiente de potencia, además se aprecia la formula
para el calculo de la potencia disponibles donde A es el área barrida por el rotor (m^2), v es la
velocidad del viento medida a la altura del buje del generador (m/s) y \rho es la densidad del aire
(kg/m^3).\\
Ahora bien, conociendo un poco mas sobre esto se puede proceder a hablar sobre el limite de Betz,
el cual es el valor máximo de aprovechamiento de la potencia eólica este se dice que es de un 0.593
de dicha potencia y en la situación que se piense en un aerogenerador ideal la velocidad del viento
saldría a un mínimo de 1/3 de la velocidad inicial. El limite de Betz nos brinda la información que
solo un 60\% de la energía que posee el viento se podrá convertir a energía disponible en una
turbina.\\
En la Figura 1 se muestra el coeficiente máximo que se puede obtener para diferentes tipos de
aeroturbinas tomando en cuenta la velocidad del rotor \lambda, en este grafico se aprecian las
diferentes curvas que se pueden presentar con las diferentes aeroturbinas y lo curioso es que en la
parte superior del grafico el valor máximo es aproximadamente de 0.59 que se dijo anteriormente
que era el valor máximo que se podía alcanzar(se deben tomar en cuenta la geometría del
aerogenerador, la cantidad de palas del rotor y el área de enfrentamiento al viento). \\
El limite de Betz se puede obtener mediante la siguiente formula en la Ecuación 2:
\begin{equation}
pf2

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\section{\normalize{Ley de Betz y máxima eficiencia de conversión}}

Este sistema lo que permite es la generación de potencia del viento utilizando turbinas eólicas usadas como obstáculo para obstruir el movimiento natural del viento. Se sabe que cuando el viento pasa por un rotar este puede generar energía cinética en las turbinas antes mencionadas, pero esta no sedera toda esta energía, esto se debe a que el viento conserva una cierta velocidad. La energía cinética total con la que ingresa el viento al rotor se va distribuyendo en diferentes sectores, uno es la energía cedida al rotor, otra es la que conserva el viento a la salida del mismo y por último pequeñas partes de la energía se pierde por rozamientos aerodinámicos y mecánicos.\

Es importante definir algunos parámetros a tomar en cuenta como lo puede ser la potencia (P) que se obtiene en el rotor la cual puede ser usada para alimentar un alternador eléctrico o bombas hidráulicas, esta es la potencia al freno o del eje de rotor. Se dijo que el viento posee una energía antes de ser pasada por el rotor, esta presenta una potencia la cual es la potencia eólica disponible (P_d), conociendo estos valores de potencias antes mencionados se puede obtener la conversión de potencia (C_p) la cual es una relación entre la potencia del rotor y la disponible.

\begin{equation}

C_p = \frac{P}{P_d}=\frac{P}{\frac{1}{2}\rho\cdot v^3\cdot A}

\end{equation} \begin{equation}

C_p = \frac{P}{P_d}=\frac{P}{\frac{1}{2}\rho\cdot v^3\cdot A}

\end{equation}

En la Ecuación 1 se muestra como calcular el coeficiente de potencia, además se aprecia la formula para el calculo de la potencia disponibles donde A es el área barrida por el rotor (m^2), v es la velocidad del viento medida a la altura del buje del generador (m/s) y \rho es la densidad del aire (kg/m^3).\

Ahora bien, conociendo un poco mas sobre esto se puede proceder a hablar sobre el limite de Betz, el cual es el valor máximo de aprovechamiento de la potencia eólica este se dice que es de un 0. de dicha potencia y en la situación que se piense en un aerogenerador ideal la velocidad del viento saldría a un mínimo de 1/3 de la velocidad inicial. El limite de Betz nos brinda la información que solo un 60% de la energía que posee el viento se podrá convertir a energía disponible en una turbina.\

En la Figura 1 se muestra el coeficiente máximo que se puede obtener para diferentes tipos de aeroturbinas tomando en cuenta la velocidad del rotor \lambda, en este grafico se aprecian las diferentes curvas que se pueden presentar con las diferentes aeroturbinas y lo curioso es que en la parte superior del grafico el valor máximo es aproximadamente de 0.59 que se dijo anteriormente que era el valor máximo que se podía alcanzar(se deben tomar en cuenta la geometría del aerogenerador, la cantidad de palas del rotor y el área de enfrentamiento al viento). \

El limite de Betz se puede obtener mediante la siguiente formula en la Ecuación 2:

\begin{equation}

P_ea[\frac{1}{2} \cdot \rho \cdot v^3 \cdot (A_p \cdot N_p)]0.

\end{equation}

Donde $P_ea$ es la potencia eólica aprovechada (W), Ap es el área de la superficie de la pala que enfrenta el viento $(m^2)$, Np es el número de palas, v es la velocidad del rotor (m/s) y $\rho$ la densidad del viento a las condiciones del sistema $(kg/m^3)$.

Para la comparación de dos aerogeneradores uno de eje vertical y uno horizontal se eligieron el DS-300 el cual es un aerogenerador de eje vertical y el Air X 400 de eje horizontal. En el documento consultado se tomaron la tarea de realizar pruebas para tomar el coeficiente de potencia con respecto la velocidad, esto para los dos aerogeneradores para así poder compararlos contra los datos por los fabricantes y a su vez poder realizar una comparación del coeficiente de potencia entre ambos.\

En donde, según los gráficos de C_p vs velocidad dado por los fabricantes (Figura 2) se dice que para vientos débil el Air X 400 presenta C_p mayor que el que el DS-300 para un rango de velocidades de 0 a 15 m/s aproximadamente, pero a la hora de realizar los datos de forma experimental se aprecia una diferencia en lo que se dijo anteriormente ya que según la figura 3 el Air X 400 a velocidades de 1 a 2.2 m/s su C_p es menor con un valor de aproximadamente de 0. que el del DS-300 con un C_p de 0.27, superado este valor de velocidad de 2.2 m/s si se logra apreciar que el Air X 400 aumenta su valor de coeficiente de potencia superando al aerogenerador de eje vertical, alcanzando a la velocidad máxima de los ensayos (5 m/s) un valor de aproximadamente de 0.31 para el Air X 400 y 0.23 para el DS-300. Cabe destacar que las curvas dadas por los fabricantes tuvieron un comportamiento distinto que las obtenidas por los autores.