ANEMÓMETRO AUTÓNOMO PARA EVALUACIÓN DEL RECURSO EÓLICO

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1 ANEMÓMETRO AUTÓNOMO PARA EVALUACIÓN DEL RECURSO EÓLICO Alberto Montoya Portugal- Ernesto Palo Tejada Wilson Cabana Hancco - wil10000@hotmail.com Universidad Nacional de San Agustín, Departamento de Física, Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética

2 ANEMÓMETRO AUTÓNOMO PARA EVALUACIÓN DEL RECURSO EÓLICOS Primera edición digital Julio, 2011 Lima - Perú Ernesto Palo Tejada Alberto Montoya Portugal Wilson Cabana Hancco PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0190 Editor: Víctor López Guzmán guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster Lima - Perú

3 PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD) El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, ebook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. El personal docente jugará un rol de tutor, facilitador y conductor de proyectos

4 de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 2011 El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica Víctor López Guzmán Editor

5 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, ANEMÓMETRO AUTÓNOMO PARA EVALUACIÓN DEL RECURSO EÓLICO Ernesto Palo Tejada - jpalot@unsa.edu.pe, Alberto Montoya Portugal - almontoyap@hotmail.com Wilson Cabana Hanco- wil10000@hotmail.com Universidad Nacional de San Agustín, Departamento de Física, Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética Resumen. Desarrollo de un anemómetro de copas cuyo propósito es el monitoreo del recurso eólico, el anemómetro consta de un sensor magnético que es activado por un imán de neodimio en cada revolución de las copas, además incorpora un sistema de captura electrónico basado en un microcontrolador que funciona con una batería de litio de 3 V. que le da una autonomía máxima de un año. La tasa de muestreo y otros comandos son programados mediante un software desde una computadora a través de un puerto USB. La respuesta del anemómetro se ha comparado y calibrado con un anemómetro marca Davis, obteniéndose una muy buena correlación. Se muestran los resultados del monitoreo de un mes en el sector de Rio seco ubicado en el cono norte de la ciudad de Arequipa Palabras clave: Anemómetro, Micro controlador, Calibración, Instrumentación. 1. Principios de Operación El instrumento es un clásico anemómetro de copas al que se le a incorporado un sistema de captura electrónica de datos de muy bajo consumo, basada en tecnología de microcontroladores, la electrónica de baja potencia tiene un consumo máximo de 3mA en el momento de registro de datos. El diseño de copas se escoge por su simplicidad robustez y suficiente precisión para las aplicaciones de monitoreo de recurso eólico. El instrumento funciona con una batería de litio de 3 voltios CR2 DURACELL ULTRA. La autonomía máxima es de un año aunque esta depende en gran medida de la tasa de muestreo y la frecuencia de grabado de datos, pero en el peor de los casos, esto es, a una tasa alta de muestreo, se garantiza una autonomía de 1 mes. En el anemómetro, un imán de neodimio esta insertado en el cono superior, este cono esta montado en un eje de acero a través de micro rodamientos de baja fricción. Las tres copas de plástico van montadas en el cono de teflón, como se muestra en la figura 1, en cada giro completo el imán activa un sensor magnético montado en el eje, el tren de pulsos producido por el giro es llevado desde el sensor a la electrónica de control que se encarga de procesar y guardar los datos de acuerdo a la configuración del software de control. El anemómetro esta diseñado para registrar velocidades de viento comprendidas entre 0(m/s) y 10 (m/s), las velocidades típicas de sistemas de generación eólico de imanes permanentes están comprendidas entre 3 (m/s) y 10 (m/s) La velocidad de destrucción del anemómetro se a estima en 40 m/s. Figura 1: Esquema y fotografía del anemómetro

6 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, El Hardware Desarrollada alrededor del microcontrolador 12F675 cuyo consumo en operación es de apenas 100 A. La base de tiempo es un cristal de 4Mhz con un error máximo de 10 ppm entre -20 y 70 ºC. El instrumento Incorpora una memoria EEPROM que a una tasa de registro de un dato por hora puede almacenar 4 años de datos. Características físicas del anemómetro o Diámetro de las copas; 30mm o Número de copas: 3 o Radio del eje al centro de la copa: 40mm o Altura del anemómetro: 170 mm. 1.2 El software El anemómetro puede ser conectado a un computador por una conexión USB, y se puede interactuar con el sistema a través de una serie de comandos enviados como cadenas de caracteres ASCII desde la computadora. Cualquier Programa de computadora capas de enviar y recibir cadenas de caracteres ASCII por un puerto puede ser usado, por ejemplo el Hyper Terminal de Windows. Figura 2 Modos de operación: El anemómetro puede trabajar en dos modos. Los cuales se configura enviando los comandos c o w Modo de operación captura: este modo de operación esta activo por defecto e indica que el instrumento envía los datos directo al PC sin guardarlos en memoria Modo de operación Escritura: este modo de operación se activa cuando se envía el comando w, indica que el instrumento guardara los datos tomados en memoria. Comandos de configuración: Los comandos de configuración son: a m e h f L G d r b s N comando que configura la tasa de muestreo si a=1 se contaran el numero de impulsos que llegan del sensor magnético por segundo (Hz). Si a=60 se contaran el numero de impulsos que llegan del sensor en 60 s. (RPM) Comando que indica cada cuanto tiempo se registrara el dato en memoria. Comando que indica cuanto tiempo esperara el instrumento antes de empezar a registrar los datos Comando que configura la hora, también inicia la operación en uno de los dos modos de operación. Configura la fecha Configura la latitud Configura la longitud Configura el numero de identificación Comando para descargar la memoria Comando para borrar la memoria Muestra la configuración actual del sistema. Muestra el estado de la memoria Figura 2: Configuración del anemómetro

7 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, Calibración y comparación Se estudio el desempeño del anemómetro comparándolo con el anemómetro instalado en la estación meteorológica Davis, esta estación se encuentra en el edificio de la escuela de Física UNSA Arequipa, a 10 metros del nivel del techo del edificio. El anemómetro Unsa (ua) se instalo a la misma altura y a 10 cm del anemómetro de la estación Davis (Ad). Tanto el anemómetro de la estación Davis como el anemómetro Unsa se programaron para empezar a registrar los datos a las 8 AM. Del día y a una tasa de muestreo de 1 dato por minuto. Previamente los relojes de ambos instrumentos se sincronizaron. La medición se realizo durante 8 horas y los resultados se muestran en la figura 3. El principio de medición del anemómetro Unsa y el anemómetro Davis es el mismo y esta basado en un imán de neodimio montado en el eje que sostiene las copas y un interruptor magnético situado en el soporte del eje. Al girar el imán sobre el interruptor este se cierra llevando a masa el terminal de entrada de datos, este hecho, genera un tren de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad del viento. El tratamiento de datos de la electrónica y de software del anemómetro de la estación Davis es desconocido. El anemómetro Unsa mide el periodo de cada pulso del tren que se genera en el Terminal de datos durante el intervalo de tiempo que se programo, después calcula el valor medio de la función en este intervalo, este resultado se guarda en memoria. Davis ua m/s Tiempo (min) Figura3: Respuesta del anemómetro Unsa y del anemómetro Davis en función del tiempo, la figura continua corresponde al anemómetro Unsa De la figura 3 se destaca la alta correlación de los datos de ambos anemómetros, sin embargo observamos un comportamiento notable en el anemómetro Davis este anemómetro solo registro 16 valores diferentes de velocidades de viento en contraste con el anemómetro Unsa que registro valores continuos ente 0 y 7 m/s. Este comportamiento singular de la estación Davis lo atribuimos al tratamiento de datos que la estación Davis aplica al tren de pulsos generado por el giro de las copas. Pensamos que esta baja resolución del anemómetro Davis compromete su aplicación en monitoreo de recurso. De los datos mostrados en la figura 3 y aplicando j V ( ua) j Vi ( ua) (1) N Obtenemos la tabla 1. Donde el índice j corre sobre todos los valores de velocidad de viento entregados por el anemómetro ua en los que la velocidad de viento entregada por el anemómetro Ad sea igual. i Donde: Es el número total de datos. N N i (2) i

8 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, Tabla 1. Datos relacionados de los anemómetros ua y Ad i N V i (Ad ) (ua) i V i La tabla 1 muestra que un histograma de repetición de vientos construida con los datos de velocidad entregados por el anemómetro Davis tendría una pobre resolución cuando los datos son muestreados a una tasa de 1 minuto. 3. Calibración Si se intenta Graficar directamente V (ua) en función de V (Ad ) obtenemos los resultados mostrados en la figura 4, una mejor aproximación consiste en graficar los datos de velocidades de la tabla 1. Los resultados se muestran en la figura 5, en la que se aplico un ajuste de mínimos cuadrados donde V ( ua) 0.98V ( Ad ) 0.05 como se puede calcular existe un error de compensación de 0.05 m/s y un error de linealidad de 0.85 % a escala completa. Figura 4. ua(m/s) Ad (m/s) Figura 4: Respuesta del ua versus Ad, para velocidades que comprendidas entre 0 y 7 m/s Anemometro DAVIS (m/s) uanemometro (m/s) Figura 5: V i (ua) versus (Ad ) V i de la tabla 1

9 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, Anemometro DAVIS (m/s) uanemometro (m/s) Gráfica 6. Error de linealidad de 0.8% 3.1 Calculo de Velocidad El anemómetro Unsa no entrega los datos en unidades de ( m / s), en su lugar nos entrega un dato que esta relacionado con la frecuencia de rotación de las copas, el parámetros a y t de configuración mediante la siguiente ecuación. t D k 2 V ( m / s) (3) 100 a Donde D es el dato entregado por el anemómetro Unsa, t es el parámetro de configuración de incremento de tiempo, a es el parámetro que configura de intervalo de integración, el parámetro k es un parámetro de calibración y puede tomar el valor de k 36 para el anemómetro de las características físicas descrito anteriormente. El recurso eólico en la ciudad de Arequipa en general no es suficiente para aerogeneración, sin embargo existen puntos que por su geografía podrían ser aprovechados. Uno de estos puntos es el sector de Rió Seco Cono norte de la ciudad. Se instalo un anemómetro en el sector durante un mes (enero-2010), se registro la velocidad de viento a una tasa de 1 dato por minuto. En la figura se muestran los resultados de la primera semana Velosidad (m/s) Tiempo(h) Figura 7 Velocidad en función del tiempo durante una semana. Los datos muestran que la velocidad media apenas supera los 3 m/s, esta velocidad esta en el limite inferior de generación para la mayoría de generadores eólicos de imanes permanentes.

10 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, Conclusiones. Al comparar la respuesta de los anemómetros Davis y Unsa se muestra una buena correlación en los datos El anemómetro Unsa muestra una mejor resolución que el anemómetro Davis El anemómetro Unsa es un instrumento portátil de fácil instalación y con autonomía en el registro de datos y energía de alimentación. El anemómetro Unsa mostró ser un instrumento versátil y de bajo costo ideal para construir mapas de viento en zonas geográficas que presentan diversidad de microclimas, como es el caso de la Región Arequipa. En futuros desarrollos se podría incluir capacidad de transmitir por UHF REFERENCIAS Asociación Danesa de la Industria de Energía del Viento [Online] Available at: González-Longatt F. Fuentes de Energía Distribuida, Tecnologías Disponibles. Trabajo de Ascenso a la Categoría de Agregado de la Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada. Maracay. Venezuela, Global Water Instrumentation, Inc. [on line] Available at: González Longatt F. Tutorial de Sistemas de Conversión de Energía. Jornadas de Ingeniería Eléctrica 2005, universidad de Carabobo, Venezuela, Anemometers.co.uk [Online] Available at: meter.html Rene Moreno. World Bank. Industry and energy department working paper [Online] Available at:

11 CONTENIDO 1. INTRODUCCION 2. OBJETIVOS 3. CONFIGURACION EXPERIMENTAL 4. RESULTADOS 5. CONCLUSIONES

12 1. INTRODUCCION p = densidad del aire (1,225 kg/m 3 ) A = área de de barrido del rotor (m 2 ) V = velocidad del viento (m/s)

13 La medición de la velocidad del viento se realiza normalmente usando un anemómetro de copas que gira sobre su eje en función de la potencia del viento y en proporción a la velocidad del mismo. El número de revoluciones por segundo se registra electrónicamente y de la misma manera se traduce la velocidad del viento en m/s. Esta información se acumula y luego se procesa sistemáticamente

14 Range Wind Speed (large wind cups) (See Note 1) to 150 mph, 2 to 130 knots, 1 to 67 m/s, 3 to 241 km/h knots, 1.5 to 79 m/s, 5 to 282 km/h Wind Direction to 360 or 16 compass points Wind Run to miles ( km) Accuracy Wind Speed (large wind cups) ±2 mph (2 kts, 3 km/h, 1 m/s) or ±5%, whichever is greater Wind Direction ±7 Wind Run ±5% Resolution Wind Speed mph (1 knot, 0.1 m/s, 1 km/hr) Wind Direction (0 to 355 ), 22.5 between compass points Wind Run m (0.1 km)

15 2. OBJETIVOS Desarrollo de un anemómetro de copas con autonomía en el registro de datos y energía de alimentación, cuyo propósito es el monitoreo del recurso eólico

16 3. CONFIGURACION EXPERIMENTAL Características físicas del anemómetro Diámetro de las copas; 30mm Número de copas: 3 Radio del eje al centro de la copa: 40mm Altura del anemómetro: 170 mm.

17 principio de operación En el anemómetro, un imán de neodimio esta insertado en el cono superior, este cono esta montado en un eje de acero a través de micro rodamientos de baja fricción. Las tres copas de plástico van montadas en el cono de teflón, como se muestra en la figura anterior, en cada giro completo el imán activa un sensor magnético montado en el eje, el tren de pulsos producido por el giro es llevado desde el sensor a la electrónica de control que se encarga de procesar y guardar los datos de acuerdo a la configuración del software de control. El anemómetro esta diseñado para registrar velocidades de viento comprendidas entre 0(m/s) y 10 (m/s), las velocidades típicas de sistemas de generación eólico de imanes permanentes están comprendidas entre 3 (m/s) y 10 (m/s)

18 El Hardware Desarrollada alrededor del microcontrolador 12F675 cuyo consumo en operación es de apenas 100. La base de tiempo es un cristal de 4Mhz con un error máximo de 10 ppm entre -20 y 70 ºC. El instrumento Incorpora una memoria EEPROM que a una tasa de registro de un dato por hora, puede almacenar 4 años de datos. El anemometro es alimentado con una batería de Litio de 3 voltios CR2 DURACELL ULTRA. La autonomía máxima es de un año aunque esta depende de la tasa de muestreo y la frecuencia de grabado de datos. Pero en el peor de los casos, esto es, a una tasa de muestreo de1s, se garantiza una autonomía de 1 mes.

19 El software El anemómetro puede ser conectado a un computador por una conexión USB, y se puede interactuar con el sistema a través de una serie de comandos enviados como cadenas de caracteres ASCII desde la computadora. Cualquier Programa de computadora capas de enviar y recibir cadenas de caracteres ASCII por un puerto puede ser usado, por ejemplo el Hyper Terminal de Windows. El anemómetro puede trabajar en dos modos. Los cuales se configura enviando los comandos c o w Modo de operación captura: este modo de operación esta activo por defecto e indica que el instrumento envía los datos directo al PC sin guardarlos en memoria Modo de operación Escritura: este modo de operación se activa cuando se envía el comando w, indica que el instrumento guardara los datos tomados en memoria.

20 Configuración del anemómetro Comandos de configuración a m t e h f L G d r b s N configura la tasa de muestreo si a=1 se contaran el numero de impulsos que llegan del sensor magnético por segundo (Hz). Si a=60 se contaran el numero de impulsos que llegan del sensor en 60 s. (RPM) Comando que indica cada cuanto tiempo se registrara el dato en memoria configura la tasa de muestreo y puede tomar valores entre 1 y 100 s indica cuanto tiempo esperara el instrumento antes de empezar a registrar los datos y puede tomar valores desde 1s a 9 horas configura la hora, también inicia la operación en uno de los dos modos de operación. Configura la fecha Configura la latitud Configura la longitud Configura el numero de identificación Comando para descargar la memoria Comando para borrar la memoria Muestra la configuración actual del sistema. Muestra el estado de la memoria

21 4. RESULTADOS Respuesta del anemómetro Unsa y del anemómetro Davis en función del tiempo, la figura continua corresponde al anemómetro Unsa Davis ua m/s Tiempo (min) Se estudio el desempeño del anemómetro comparándolo con el anemómetro instalado en la estación meteorológica Davis, esta estación se encuentra en el edificio de la escuela de Física UNSA Arequipa, a 10 metros del nivel del techo del edificio. El anemómetro Unsa (ua) se instalo a la misma altura y a 10 cm del anemómetro de la estación Davis (Ad

22 4. RESULTADOS De los datos mostrados en la figura anterior y aplicando V ( ua) i j V j N ( ua) i Obtenemos una tabla,donde el índice corre sobre todos los valores de velocidad de viento entregados por el anemómetro ua en los que la velocidad de viento entregada por el anemómetro Ad sea igual. donde: N i N i Es el número total de datos.

23 4. RESULTADOS Datos relacionados de los anemómetros ua y Ad i N (Ad ) (ua) i V i V i La tabla muestra un histograma de repetición de vientos construida con los datos de velocidad entregados por el anemómetro Davis

24 4. RESULTADOS Respuesta del ua versus Ad, para velocidades que comprendidas entre 0 y 7 m/s Anemometro DAVIS (m/s) uanemometro (m/s)

25 4. RESULTADOS Error de linealidad de 0.8% Anemometro DAVIS (m/s) V ( ua) 0.98V ( Ad) uanemometro (m/s) como se puede calcular existe un error de compensación de 0.05 m/s y un error de linealidad de 0.85 % a escala completa

26 4. RESULTADOS Velocidad en función del tiempo durante una semana Velosidad (m/s) Tiempo(h) El recurso eólico en la ciudad de Arequipa en general no es suficiente para aerogeneración, sin embargo existen puntos que por su geografía podrían ser aprovechados. Uno de estos puntos es el sector de Rió Seco,Cono norte de la ciudad. Se instalo un anemómetro en el sector durante un mes (enero-2010), se registro la velocidad de viento a una tasa de 1 dato por minuto. En la figura se muestran los resultados de la primera semana.

27 5. CONCLUSIONES Al comparar la respuesta de los anemómetros Davis y Unsa se muestra una buena correlación en los datos El anemómetro Unsa muestra una mejor resolución que el anemómetro Davis El anemómetro Unsa es un instrumento portátil de fácil instalación y con autonomía en el registro de datos y energía de alimentación. El anemómetro Unsa mostró ser un instrumento versátil y de bajo costo ideal para construir mapas de viento en zonas geográficas que presentan diversidad de microclimas, como es el caso de la Región Arequipa. En futuros desarrollos se podría incluir capacidad de transmitir por UHF

28 GRACIAS POR SU ATENCION Alberto Montoya Portugal- Ernesto Palo Tejada Wilson Cabana Hancco - wil10000@hotmail.com Universidad Nacional de San Agustín, Departamento de Física, Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética

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