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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE LA TEMPERATURA, HUMEDAD, VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DEL VIENTO PARA LA

EVALUACIÓN DEL POTENCIAL MICRO-EÓLICO

DANIEL FERNANDO VALENCIA ZULUAGA COD: 1090371

Director: MANUEL ALEJANDRO HURTADO GÓMEZ

UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA - CALI INGENIERIA ELECTRONICA

SANTIAGO DE CALI ABRIL DE 2013

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE LA TEMPERATURA, HUMEDAD, VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DEL VIENTO PARA LA

EVALUACIÓN DEL POTENCIAL MICRO-EÓLICO

DANIEL FERNANDO VALENCIA ZULUAGA COD: 1090371

Informe Final de grado presentado como requisito para optar por el título de Ingeniero Electrónico

UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA - CALI INGENIERIA ELECTRONICA

SANTIAGO DE CALI ABRIL DE 2013

Nota de aceptación

____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________

____________________________________ Firma del Director

____________________________________

Firma del Tesista Santiago de Cali, Abril del 2013

A mis padres por brindarme el apoyo y ayuda a superar barreras que se van encontrando en el transcurso de mi vida, mi carrera y por siempre creer en mí. A mi hermana por su asesoría, acompañamiento y comprensión durante mi periodo como Universitario. A mis amigos Cristian y Daniel por sus enseñanzas, apoyo y colaboración en la carrera y en la elaboración del proyecto. A los docentes que me ayudaron en la formación como Ingeniero Electrónico. A Leidy por acompañarme en esta etapa de mi vida y no dejarme llevar por el fracaso e impulsarme y darme fuerzas para continuar con mis metas.

Daniel Fernando Valencia Zuluaga

Diseño y Construcción de un Sistema de Adquisición de la Temperatura, Humedad, Velocidad y Dirección del Viento para la Evaluación del Potencial Micro- Eólico

i

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

INDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... iii

INDICE DE TABLAS .......................................................................................................... v

INDICE DE GRÁFICAS ...................................................................................................... v

INDICE DE FOTOGRAFÍAS .............................................................................................. vi

INDICE DE ANEXOS........................................................................................................ vi

INDICE DE ALGORITMOS ............................................................................................... vi

GLOSARIO .................................................................................................................... vii

RESUMEN ....................................................................................................................... i

1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 2

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................... 2

1.2 OBJETIVO GENERAL .................................................................................................... 3

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.............................................................................................. 4

1.4 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................... 4

2. MARCO CONCEPTUAL ............................................................................................. 6

2.1 ENERGÍA EÓLICA ......................................................................................................... 6

2.1.1 Generación del viento ................................................................................................................... 6

2.1.2 Medidores del viento .................................................................................................................... 6

2.1.3 Medidores de Temperatura y Humedad ..................................................................................... 11

2.1.4 Importancia de la Densidad y Temperatura del Aire en el Cálculo del Potencial Eólico ............. 16

2.2 TIPOS DE POTENCIAL EÓLICOS .................................................................................. 17

2.2.1 Generadores Eólicos de Gran Potencia ....................................................................................... 17

2.2.2 Generadores Eólicos de Baja Potencia ........................................................................................ 28

2.3 TOPOLOGÍA BÁSICA DE LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS ................................ 37

2.3.1 Transmisor ................................................................................................................................... 37

2.3.2 Canal ............................................................................................................................................ 37

2.3.3 Receptor ...................................................................................................................................... 37

2.4 SISTEMAS DE COMUNICACIÓN DE RADIOFRECUENCIA ............................................... 39

2.4.1 Bandas reguladas ........................................................................................................................ 39


ii

2.4.2 Bandas no reguladas ................................................................................................................... 42

3. METODOLOGÍA ..................................................................................................... 43

3.1 DISEÑO HARDWARE ................................................................................................. 44

3.1.1 FPGA DE2 ..................................................................................................................................... 46

3.1.2 Transmisor de Temperatura y Humedad .................................................................................... 46

3.1.3 Sensor de Velocidad y Dirección del Viento ................................................................................ 49

3.1.4 Módulo GSM ............................................................................................................................... 51

3.2 DISEÑO DE SOFTWARE ............................................................................................. 52

3.2.1 Software del Transmisor de Temperatura y Humedad ............................................................... 53

3.2.2 Software del Sensor de Velocidad y Dirección del Viento ........................................................... 57

3.2.3 Software del Almacenamiento en la Memoria SD ...................................................................... 60

3.2.4 Software del Módulo GSM .......................................................................................................... 63

4. PRUEBAS Y RESULTADOS ....................................................................................... 65

4.1 MUESTRAS IN SITU ................................................................................................... 65

4.2 MEDICIÓN DEL POTENCIAL MICRO-EÓLICO ................................................................ 76

4.3 PRUEBAS GSM .......................................................................................................... 77

5. CONCLUSIONES Y TRABAJO A FUTURO .................................................................. 83

5.1 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 83

5.2 TRABAJO A FUTURO ................................................................................................. 84

6. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 85

ANEXOS ....................................................................................................................... 89

ANEXO 1. CÁLCULO DEL PUNTO DE ROCÍO-TRANSMISOR SHT15 ........................................... 90

ANEXO 2. TABLAS DE CALIBRACIÓN ..................................................................................... 92

CALIBRACIÓN TEMPERATURA Y HUMEDAD ............................................................................................. 93

CALIBRACIÓN VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DEL VIENTO .............................................................................. 93

ANEXO 3. DATOS DEL MEDIDOR Y ESTACIÓN METEOROLÓGICA DEL AEROPUERTO MATECAÑA

DE PEREIRA ......................................................................................................................... 95

ANEXO 4. MANUAL DE FUNCIONAMIENTO ......................................................................... 103


iii

INDICE DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Tubo Venturi Modelo PCE-VR ............................................................................................................... 7

Figura 2. Anemómetro de Hilo Caliente .............................................................................................................. 8

Figura 3. Manómetro con Tubo de Pitot ............................................................................................................. 8

Figura 4. Anemómetro de Rueda Alada .............................................................................................................. 9

Figura 5. Anemómetro de Bolsillo ....................................................................................................................... 9

Figura 6. Anemómetro tipo Copa ...................................................................................................................... 10

Figura 7. Anemómetro Ultrasónico ................................................................................................................... 10

Figura 8. Termómetro de Vidrio ........................................................................................................................ 12

Figura 9. Tipos de Sondas de Resistencia .......................................................................................................... 13

Figura 10. Termopar .......................................................................................................................................... 14

Figura 11. Torre de Medición Eólica .................................................................................................................. 18

Figura 12. Data Logger Meteo-40 ..................................................................................................................... 19

Figura 13. Dispositivos de Comunicación Satelital y GSM/GPRS ....................................................................... 19

Figura 14. Sensor de Humedad y Temperatura ................................................................................................. 20

Figura 15. Barómetro tipo AB 60 ....................................................................................................................... 21

Figura 16. Panel Solar........................................................................................................................................ 21

Figura 17. Piranómetro ..................................................................................................................................... 22

Figura 18. Luz de Aviso Modelo 702-5 ............................................................................................................... 22

Figura 19. Altura promedio de los Dispositivos de Medición ............................................................................ 23

Figura 20. Aerogenerador E-82 E3 .................................................................................................................... 25

Figura 21. Aerogenerador Haliade 150 ............................................................................................................. 26

Figura 22. Tamaño Aerogeneradores ................................................................................................................ 26

Figura 23. Aerogenerador Pendular o Monopala.............................................................................................. 27

Figura 24. Rotor Savonius ................................................................................................................................. 30

Figura 25. Rotor Darrieus .................................................................................................................................. 30

Figura 26. Aerogenerador Modelo HEOS H75 ................................................................................................... 31

Figura 27. Aerogenerador Modelo V2 Turbo..................................................................................................... 31

Figura 28. Instalación Edificio Aerogeneradores ............................................................................................... 32

Figura 29. Aerogenerador Multipala ................................................................................................................. 33

Figura 30. Aerogenerador Tripala ..................................................................................................................... 33

Figura 31. Aerogenerador WINDTAMER 8.0 ..................................................................................................... 35

Figura 32. Ejemplo Instalación WINDTAMER 8.0 .............................................................................................. 35

Figura 33. Registrador de Viento PCE-WL 2 ...................................................................................................... 36

Figura 34. Salto de Canal (Channel Hop) ........................................................................................................... 41

Figura 35. Diseño General del Hardware del Sistema ....................................................................................... 45

Figura 36. DE2-ALTERA ...................................................................................................................................... 46

Figura 37. Medidor de Temperatura y Humedad SHT15 ................................................................................... 47

Figura 38. Conexión del Transmisor .................................................................................................................. 48


iv

Figura 39. Medidor de Viento TX-23U ............................................................................................................... 49

Figura 40. Ubicación del imán en el anemómetro ............................................................................................. 50

Figura 41. Módulo GSM M95 ............................................................................................................................ 51

Figura 42. Procesador Nios II ............................................................................................................................. 53

Figura 43. Transmisión de Inicio ........................................................................................................................ 54

Figura 44. Formato Datos ................................................................................................................................. 61

Figura 45. Aerogenerador Pawicon 2500 .......................................................................................................... 76

Figura 46. Simulación obstrucción de la veleta ................................................................................................. 78

Figura 47. Datos ensayo dirección del viento .................................................................................................... 79

Figura 48. Simulación Obstrucción del Anemómetro ........................................................................................ 79

Figura 49. Datos ensayo obstrucción del anemómetro ..................................................................................... 80

Figura 50. Simulación Cambio Drástico en la Temperatura .............................................................................. 81

Figura 51. Puerto de Expansión ....................................................................................................................... 104

Figura 52. Nios II Software Build Tools for Eclipse........................................................................................... 105

Figura 53. Run Configuration .......................................................................................................................... 106


v

INDICE DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Escala de Beaufort ............................................................................................................................... 11

Tabla 2. Rangos de Fluidos ................................................................................................................................ 12

Tabla 3. Precisión de las Veletas ....................................................................................................................... 23

Tabla 4. Medición del porcentaje de error del anemómetro tipo copa ............................................................. 24

Tabla 5. Bandas de Frecuencia .......................................................................................................................... 38

Tabla 6. Especificaciones M95 vs BxS2 vs XE865 ............................................................................................... 51

Tabla 7. Lisa de Comandos SHT1x ..................................................................................................................... 54

Tabla 8. Código Secuencias de Dirección ........................................................................................................... 57

Tabla 9. Capacidad Ocupada en Memoria ........................................................................................................ 60

Tabla 10. Valores Promedio Medidor y Estación Meteorológica ..................................................................... 70

Tabla 11. Parámetros por calcular el Punto de Rocío........................................................................................ 91

Tabla 12. Calibración Temperatura y Humedad................................................................................................ 93

Tabla 13. Calibración Velocidad del Viento ....................................................................................................... 94

Tabla 14. Datos 1 del Medidor .......................................................................................................................... 96

Tabla 15. Datos 2-Abril 1-Tabla datos ............................................................................................................... 99

Tabla 16. Datos 3-Abril 2-Tabla Datos .............................................................................................................. 99

Tabla 17. Datos 4-Abril 3-Tabla Datos ............................................................................................................ 100

Tabla 18. Datos de la Estación Meteorológica del Aeropuerto Matecaña de Pereira (Risaralda) .................. 101

INDICE DE GRÁFICAS

Pág.

Gráfica 1. Curva Característica Potencia vs Velocidad ...................................................................................... 34

Gráfica 2. Diseño Base…………………………………………………………………………………………………………………………………...44 Gráfica 3. Precisión de la Humedad Relativa (RH) ............................................................................................ 47 Gráfica 4. Precisión de la Temperatura ............................................................................................................. 48

Gráfica 5. Temperatura Medidor Proyecto ....................................................................................................... 66

Gráfica 6. Humedad Relativa Proyecto ............................................................................................................. 66

Gráfica 7. Velocidad del Viento Proyecto .......................................................................................................... 67

Gráfica 8. Rosa de los Vientos ........................................................................................................................... 68

Gráfica 9. Temperatura Estación Meteorológica .............................................................................................. 69

Gráfica 10. Humedad Relativa Estación Meteorológica .................................................................................... 69

Gráfica 11. Velocidad del Viento Estación Meteorológica ................................................................................ 70

Gráfica 12. Datos2-Temperatura ...................................................................................................................... 71

Gráfica 13. Datos2-Humedad Relativa .............................................................................................................. 72

Gráfica 13. Datos2-Velocidad del Viento........................................................................................................... 72


vi

Gráfica 15. Datos 3-Temperatura ..................................................................................................................... 73

Gráfica 16. Datos 3-Humedad Relativa ............................................................................................................. 73

Gráfica 17. Datos 3-Velocidad del Viento .......................................................................................................... 74

Gráfica 17. Datos 4-Temperatura ..................................................................................................................... 74

Gráfica 19. Datos 4-Humedad Relativa ............................................................................................................. 75

Gráfica 20. Datos 4-Velocidad del Viento .......................................................................................................... 75

INDICE DE FOTOGRAFÍAS

Pág.

Fotografía 1. Sensor Efecto Hall del Medidor de Viento.................................................................................... 50

Fotografía 2. Encoder Medidor de Viento ......................................................................................................... 51

Fotografía 3. Medidor Proyecto ........................................................................................................................ 65

Fotografía 4. Mensaje Obstrucción de la Veleta ............................................................................................... 78

Fotografía 5. Mensaje Obstrucción del Anemómetro ....................................................................................... 80

Fotografía 6. Mensaje Cambio Drástico en la Temperatura ............................................................................. 81

INDICE DE ANEXOS

Pág. ANEXO 1. Cálculo Del Punto De Rocío-Transmisor Sht15 .................................................................................. 90

ANEXO 2. Tablas De Calibración ........................................................................................................................ 92

ANEXO 3. Datos Del Medidor Y Estación Meteorológica Del Aeropuerto Matecaña De Pereira ...................... 95

ANEXO 4. Manual De Funcionamiento ............................................................................................................ 103

INDICE DE ALGORITMOS

Pág. Algoritmo 1. Temperatura y Humedad ............................................................................................................. 56 Algoritmo 2. Velocidad y Dirección del Viento .................................................................................................. 59 Algoritmo 3. Tarjeta SD ..................................................................................................................................... 62 Algoritmo 4. Módulo GSM ................................................................................................................................. 64


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GLOSARIO

Aerogeneradores: Generadores de energía eléctrica por medio del viento. Brida: Elemento que une dos componentes de un sistema de tuberías, permitiendo ser desmontado sin operaciones destructivas, gracias a una circunferencia de agujeros a través de los cuales se montan los pernos de unión. CPLD (Complez Programmable Logic Device): Es un dispositivo electrónico que permite implementar sistemas más eficaces por medio de bloques lógicos que se comunican entre sí, utilizando menor espacio, mejorando la fiabilidad del diseño y reduciendo costos. Data Logger: Es un registrador de datos en el tiempo, que tiene conectado sensores o transmisores externos a él y permite el almacenamiento de los datos suministrados. Encoder Absoluto: Transductor rotativo, que mediante una señal eléctrica (un pulso o señal senoidal), indica el ángulo o posición en el que es girado el Encoder. Marmita: Recipiente de la familia de las ollas que dispone de una tapa para aprovechar el vapor, y una o dos agarraderas. Microcontrolador: Circuito integrado con la capacidad de ser programado externamente y capaz de ejecutar procesos por el orden de los GHz. Omni-direccional: Capaz de ser utilizado en todas las direcciones o sentidos. Potencial Eólico: Potencia que tiene el viento para ser utilizada como generación de energía por medio de Aerogeneradores. Rosa de los Vientos: Es un círculo que tiene marcados alrededor los rumbos en que se divide la vuelta del horizonte o los puntos cardinales (Norte, Sur, Este y Oeste). Estos puntos están complementados con sus 4 rumbos laterales (NE, SE, SO y NO) hasta 16 rumbos co-colaterales. Tubo de Pitot: Se utiliza mucho para medir la velocidad del viento en aparatos aéreos y para cuantificar las velocidades de aire y gases en aplicaciones industriales. Tubo Venturi: Es un dispositivo para medir el gasto del fluido, es decir, la cantidad de flujo por unidad de tiempo, a partir de una diferencia de presión que existe entre el lugar por donde entra la corriente y el punto, en donde su parte ancha final actúa como difusor.


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RESUMEN

El estudio del potencial eólico para la instalación de aerogeneradores y producción de energía eléctrica renovable, es el inicio del proceso de una etapa fundamental para especificar las características principales de los equipos que se van a utilizar para la generación de la energía eólica. En este trabajo se desarrolla un prototipo para adquirir las variables de temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento, las cuales son importantes para el estudio del potencial micro-eólico. Las variables son recolectadas por medio de un transmisor que mide la temperatura y humedad, y un sensor que entrega la velocidad y dirección del viento. Todas estas variables son adquiridas por medio de un kit de desarrollo en el cual se diseña un microcontrolador para poder manipular y controlar las señales de los sensores y por medio de este, almacenar los datos adquiridos en una memoria SD. Estos datos estarán disponibles para ser interpretados y realizar el estudio pertinente del potencial eólico. Palabras Claves: Potencial Eólico, Aerogeneradores, Micro-Eólico, Velocidad del Viento, Dirección del Viento, Microcontrolador, Memoria SD.


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1. INTRODUCCIÓN

Con el paso de los años, el hombre se ha dado cuenta de la importancia que tiene cuidar el planeta, debido al cambio climático que ha causado el exceso de consumo de nuestros recursos naturales. Existen muchas maneras de pensar como el ser humano colaborará con esta causa. Mediante el protocolo de Kyoto varios países han dado un primer paso hacia un régimen verdaderamente mundial de reducción y estabilización de los gases de efecto invernadero, con el fin de contribuir al control del calentamiento global y al cambio climático. Una de las formas que se ha optado para contribuir con la conservación de los recursos naturales, es aumentar la producción de energía eléctrica renovable. La fuente alternativa que ha tenido un gran impulso este último siglo es la energía eólica, destacándose como la energía de mayor crecimiento en el mundo. La transformación de la energía cinética del viento se realiza a través de generadores eólicos conocidos anteriormente como molinos de viento, el cual los llamaban así debido a que servían para moler grano. Estos generadores transforman la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. Para poder implantar este tipo de tecnología es necesario realizar estudios cuidadosos de modelación y simulación del potencial eólico disponible en el terreno que se van a instalar los generadores, ya que una buena elección de este se verá reflejado en una óptima producción de energía. En este documento, se presenta el diseño de un prototipo que permite adquirir las variables necesarias para la medición del potencial micro-eólico1, se muestran los resultados y el análisis de los datos obtenidos, y finalmente se presentan las conclusiones encontradas y los trabajos futuros que pueden complementar el desempeño del prototipo. 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la actualidad las tecnologías asociadas a la aplicación de fuentes no tradicionales de energía como la energía eólica se encuentran en una etapa madura. Sin embargo los costos involucrados en la utilización de estas fuentes son por lo general considerablemente mayores que para las fuentes convencionales de energía. El introducir y masificar el uso de estas fuentes de energía en el país requiere sin duda de estudios

1 Instalaciones que generen una potencia inferior a 100kW


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tendientes, por una parte, a generar metodologías para optimizar el diseño de los sistemas que usan estas fuentes de energía y por otra, a adecuar la tecnología involucrada a las condiciones particulares de un número de aplicaciones pertinentes a la nación. Uno de los dispositivos necesarios y que actualmente son empleados para la valoración del potencial eólico son las estaciones meteorológicas, las cuales brindan además de la información requerida para la aplicación una alta gama de servicios y estado de otras variables no útiles para el estudio. Sin embargo el uso de las estaciones meteorológicas está limitado a su ubicación espacial y disponibilidad temporal, ya que son dispositivos de muy alto costo y manejo restringido. Existen pocos dispositivos enfocados al registro del viento o sensado del viento, utilizados para medir y analizar la situación del viento en una zona antes de poner en funcionamiento una central eólica. Estos dispositivos constan de un anemómetro y su veleta, y almacenan los datos en una tarjeta de memoria SD, funcionan con baterías de gran duración y se configuran por la interfaz RS-232. Tienen un costo elevado (superior a los $2’000.0002), lo cual hace poco viable su adquisición para aplicaciones que involucren la medición del potencial micro-eólico en nuestro país. Para contribuir al desarrollo de la explotación del gran potencial eólico del país e impulsar el avance e implantación de este tipo de tecnologías en la región, se pretende desarrollar un dispositivo que tenga la capacidad de adquirir, y almacenar las principales variables que permiten determinar el potencial micro-eólico, como lo son la velocidad y dirección del viento (a estas dos variables se incluirán la medición de la temperatura y humedad, las cuales son necesarias debido a que la densidad del aire se ve influenciado con estas), que garantice la continuidad de su servicio informando de manera periódica y telemática el estado de sus variables y cuyo costo sea menor respecto a los que se utilizan en la actualidad. 1.2 OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir un sistema de medición y adquisición de datos que registre la temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento para evaluar el potencial eólico de baja potencia en una zona determinada.

2 http://www.pce-instruments.com/espanol/instrumentos-de-medida/medidores/registradores-de-datos-

logic-energy-ltd.-registrado-de-viento-pce-wl-2-det_102610.htm?_list=kat&_listpos=43


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1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Establecer el Estado del Arte de los sistemas de adquisición meteorológica y métodos de medición del potencial eólico.

Definir las especificaciones técnicas del dispositivo de medición.

Selección de los transmisores para el sistema de medición.

Definir e implementar el sistema de procesamiento de datos y extracción de los mismos.

Definir y determinar el método de transmisión de datos inalámbrica para identificar el estado del dispositivo.

Verificar el funcionamiento del sistema con pruebas de laboratorio controladas. 1.4 JUSTIFICACIÓN El calentamiento Global, la disminución de las reservas de los recursos no renovables tales como el petróleo y el gas han llevado al mundo a diversificar su canasta energética. Esto lleva a buscar maneras que permitan contribuir con esta tendencia, desarrollando proyectos que involucren la masificación de fuentes de energías renovables, tal como la energía eólica. Colombia alcanza la cúspide de la pirámide de países con mayores recursos naturales renovables y no renovables. Además de esto, su topografía es muy variadas y en conjunción con la ubicación geográfica hacen del país un lugar indicado para desarrollar proyectos que involucren la energía del viento, y en un futuro quizás no muy lejano el aprovechamiento máximo de ésta (De acuerdo con un estudio del Programa de Asistencia en Gestión del Sector Energético (ESMAP), la explotación del gran potencial eólico del país podría cubrir más de la totalidad de sus necesidades actuales de energía) [17]. Colombia por ser un país en vías de desarrollo, una parte significativa de la población es rural y su nivel de vida es precario, lo cual ha motivado el desplazamiento y asentamiento en sectores urbanos. Si establecen aerogeneradores en el territorio colombiano, se tendrá la oportunidad de ofrecer a sectores apartados, recursos energéticos, sin que ellos tengan que pagar tarifas altas por un servicio que es estrictamente necesario, lo cual será una alternativa de motivación para que los campesinos regresen a sus orígenes. La construcción de los primeros parques eólicos en el país, ha motivado a muchos a pensar en emprender desarrollos propios, particularmente aquellos propietarios de tierras donde hay una fuerte presencia de viento. Pero hay que tener cuidado, ya que la sola impresión cualitativa sobre la intensidad del viento no es suficiente para decidir la


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inversión en sistemas de generación eólica. El propietario del terreno debe estudiar cuidadosamente el comportamiento del viento (intensidad y estacionalidad) y otras variables ambientales; y para ello deberán instalar una torre de medición durante un periodo mínimo de un año para generadores de baja potencia. Además deberá considerar otros factores como cercanía al punto de conexión eléctrico, centros de consumo y calidad las vías de acceso disponible. Este proyecto de grado está orientado a generar y adaptar tecnologías asociadas a la generación y utilización de energía a partir de fuentes no convencionales como lo es la energía eólica. Se persigue con esto generar conocimiento que contribuya al desarrollo tecnológico y a la inserción adecuada de estas fuentes de energía no tradicionales en el medio regional y nacional.


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2. MARCO CONCEPTUAL 2.1 ENERGÍA EÓLICA

2.1.1 Generación del viento

El viento es un efecto que se produce cuando la tierra se calienta bajo el efecto de la radiación solar, pero no lo hace homogéneamente ya que en las capas de la tierra se presentan cambios de temperatura y los puntos que se encuentran más calientes, el aire asciende y el aire frío se posa sobre la superficie terrestre que se encuentra con temperatura más baja. Es un fenómeno similar al que ocurre en una marmita de agua sobre el fuego. Debido al calentamiento irregular, el agua empieza a moverse vivamente antes de hervir, fenómeno que se observa especialmente en las partículas que flotan en el agua. A este movimiento del aire, que además está muy influenciado por la rotación de la Tierra y por la geografía accidentada, se le llama viento. Su energía procede del sol, calienta el suelo de modo irregular, siendo por tanto la fuerza motriz de estos movimientos del aire.

Las condiciones del viento pueden variar considerablemente en función de la región. Primero porque las condiciones de calentamiento del suelo son muy variadas, cosa que sólo se percibe en regiones bastante alejadas entre sí, ya que las grandes influencias del viento sólo proceden de grandes regiones (la región de los polos y trópicos o las zonas continentales/marinas). Segundo, porque la influencia de topografía del suelo también es muy diferente: las montañas, pero también los árboles y los edificios debilitan el viento, mientras en plena mar y en las estepas llanas el viento encuentra mucha menos resistencia. De modo que cada región y casi cada lugar presentan diferentes condiciones eólicas [2].

La energía adquirida por el viento (energía cinética), generada por este movimiento del aire es la denominada Energía Eólica.

2.1.2 Medidores del viento

La información o datos del comportamiento del viento se utiliza en muchos sectores tales como: estaciones meteorológicas, propósitos industriales, construcciones en grandes alturas y aplicaciones que dependan directamente de este fenómeno natural.

Existen varios tipos de instrumentos para la medición del viento, desde los más sencillos hasta los más tecnológicos. Entre los más utilizados se encuentran:


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a) Tubo Venturi:

El anemómetro es un tubo Venturi para la medición de caudal en tuberías y conductos de ventilación. Tiene una precisión de paso muy alta gracias a que la brida de conexión está centrada de forma óptica, lo que permite una instalación rápida en la tubería.

Figura 1. Tubo Venturi Modelo PCE-VR

Fuente: [33]

b) De Hilo Caliente:

Mide el flujo de aire detectando los cambios de transferencia de calor mediante un hilo o película delgada que se encuentra expuesto al fluido que se va a estudiar. Este sensor es calentado a una temperatura constante mediante un circuito de control electrónico, el efecto de enfriamiento al paso del aire a través del sensor se compensa aumentando el voltaje del hilo y con este método se obtiene el valor de la velocidad del aire.


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Figura 2. Anemómetro de Hilo Caliente

Fuente: [33]

c) Micromanómetro:

Sirve para determinar con precisión la presión diferencial, así como la velocidad de flujo de aire y gases, por medio de un tubo de Pitot. Se utiliza sobre todo para determinar altas velocidades de flujo.

Figura 3. Manómetro con Tubo de Pitot

Fuente: [33]

d) Anemómetro de Rueda Alada:

Este anemómetro se destaca por su alta precisión y su diseño de rueda alada para las mediciones de flujos turbulentos.


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Figura 4. Anemómetro de Rueda Alada

Fuente: [33]

e) Anemómetro de Bolsillo:

Los anemómetros de bolsillo son muy prácticos a la hora de realizar un chequeo in situ de manera rápida y efectiva, ya sea en el interior como en el exterior. Son muy manejables y de fácil manejo.

Figura 5. Anemómetro de Bolsillo

Fuente: [33]

f) Anemómetro de Copas:

Construido por tres cazoletas cónicas que van montadas en un eje vertical. Los anemómetros de copa son el tipo de anemómetros estándar, robustos y resistentes a la intemperie.


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Figura 6. Anemómetro tipo Copa

Fuente: [21]

g) Anemómetro Ultrasónico:

Este tipo de anemómetros son los más sofisticados en el mercado, determinan la velocidad y dirección del viento superficial. Miden el tiempo de tránsito del impulso ultrasónico entre un par de transductores sónicos enfrentados en ambas direcciones. Con estos tres pares de transductores se realiza una medida vectorial del viento a tres ejes. Estos dispositivos son de alta resistencia, no tienen daños en cazoletas o veletas (ya que no las poseen) y no es necesaria una costosa calibración.

Figura 7. Anemómetro Ultrasónico

Fuente: [41]

El viento tiene una escala según su velocidad. Esta escala es denominada Escala de Beaufort de la Fuerza de los Vientos, según su creador Francis Beaufort. En la Tabla 1 se muestra la escala de vientos en km/h.


11

Tabla 1. Escala de Beaufort

Número de

Beaufort

Velocidad del Viento (km/h)

Denominación Efectos en Tierra

0 0 a 1 Calma El humo asciende verticalmente

1 2 a 5 Ventolina El humo indica dirección del viento

2 6 a 11 Brisa muy

débil Se mueven las hojas de los árboles

3 12 a 19 Brisa Lijera Se agitan las hojas, ondulan las banderas

4 20 a 28 Brisa

Moderada Se levanta polvo y papeles, se agitan las copas

de los árboles

5 29 a 38 Brisa Fresca Pequeños movimientos de los árboles, superficie

de los lagos ondulada

6 39 a 49 Brisa Fuerte Se mueven las ramas de los árboles, dificultad

para mantener paraguas abierto

7 50 a 61 Viento

Moderado Se mueven los árboles grandes, dificultad para

andar contra el viento

8 61 a 74 Viento Fresco Se quiebran las copas de los árboles, circulación

de personas dificultosa

9 75 a 88 Viento Fuerte Daños árboles, imposibles andar contra viento

10 89 a 102 Temporal Árboles arrancados, daños en la estructura de

las construcciones

11 103 a 117 Borrasca Estragos abundantes en construcciones, tejados

y árboles

12 >118 Huracán Estragos abundantes en construcciones, tejados

y árboles, falta de visibilidad

Fuente [19]

2.1.3 Medidores de Temperatura y Humedad

La medición de la temperatura y humedad es importante a la hora de realizar estudios que dependan de los cambios climáticos. Las unidades de temperatura son °C, °F, °K, °Rankine y °Reamur, las más utilizadas actualmente son °C, °F y °K.


12

Existen muchos medidores de la temperatura y cada uno de estos son fabricados dependiendo del uso que se le requiera dar, ya sea temperaturas extremas o temperaturas estables, estos instrumentos utilizan diversos fenómenos con diferentes principios de medición de la temperatura como lo son:

a) Variaciones en Volumen (sólidos, líquidos o gases): Un ejemplo de este

es el termómetro de vidrio el cual puede tener mercurio y al calentarse,

este se expande y sube en el tubo.

Figura 8. Termómetro de Vidrio

Fuente [4]

Los Fluidos que son utilizados y los rangos son los que se muestran en la

Tabla 2.

Tabla 2. Rangos de Fluidos

Fluido Rango

Mercurio -35 a +280°C

Mercurio (Tubo Capilar lleno de gas) -35 a +450°C

Pentano -200 a +20°C

Alcohol -110 a +50°C

Tolueno -70 a +100°C

Fuente [4]

b) Variación de Resistencia de un Conductor (Sondas de Resistencia): Comúnmente llamadas termo-resistencias. Trabaja mediante sondas que varían su resistencia con el cambio de temperatura. Las RTD (Detector de


13

Temperatura de Resistencia), se basan en el principio según el cual la resistencia de todos los metales depende de la temperatura. Un metal que puede efectuar medidas muy exactas y estables hasta una temperatura máxima de 500°C es el Platino, pero su precio no lo hace tan comercial.

Figura 9. Tipos de Sondas de Resistencia

Fuente [4]

c) Variación de Resistencia de un semiconductor (Termistores): Estos

termistores son semiconductores electrónicos, fabricados principalmente

por material cerámico. Presentan un gran cambio en su resistencia con un

pequeño cambio en la temperatura y por esto se pueden obtener

medidas de alta resolución. Existen dos tipos de termistores PTC

(Coeficiente de Temperatura Positivo) y NTC (Coeficiente de Temperatura

Negativo). La resistencia del PTC aumenta al incremento de la

temperatura y el NTC su resistencia disminuye al incremento de la

temperatura.

d) F.E.M. Creada en la Unión de dos Metales Distintos (Termopares): Este

efecto se debe a la circulación de una corriente en un circuito que se

encuentra formado por dos metales de diferentes materiales, al cual sus

uniones se mantienen a diferentes temperaturas. Un termopar conocido

son las termocuplas que se utilizan en los laboratorios para la medición de

la temperatura por ejemplo la termocupla tipo J (Hierro-Constantán).


14

Figura 10. Termopar

Fuente [4]

e) Intensidad de la Radiación Total Emitida por el Cuerpo (Pirómetro de

Radiación): Este método de medición de temperatura sin contacto se

basa en la ley de Stefan Boltzmann, que habla sobre “la intensidad de

energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta

proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del

cuerpo [4]”. El dispositivo consta de un sistema óptico que identifica la

energía radiada en el cuerpo a medir y la concentra en un detector, por lo

cual el detector genera una señal proporcional a la temperatura.

f) Otros Sensores como los C.I.: Estos sensores de medición de temperatura ofrecen alto rendimiento, económicos, precisos a temperatura ambiente y algunos resuelven el problema de linealidad. En el mercado se pueden encontrar muchos de estos sensores como por ejemplo el C.I. LM35.

La humedad relativa se define como la razón entre la presión parcial del vapor de agua y la presión del vapor saturado a una temperatura dada y se expresa como porcentaje.

Ec. 1

Algunos principios para la medición de la humedad son los siguientes:

a) Sensor por Deformación: El principio de medición que maneja es debido al cambio de deformación que sufren ciertos tipos de materiales en presencia de la humedad. Por ejemplo al aumentar la humedad relativa, las fibras cambiarán de tamaño y por medio de palancas o dispositivos electrónicos se amplificará el cambio para dar un valor de acuerdo a la


15

proporcionalidad de la humedad relativa. Su rango de operación es de 15% y 95%, a temperatura ambiente de -20°C a +70°C [24].

b) Sensor por Condensación: Este tipo de medición se realiza tomando el dato del punto de rocío por medio de un higrómetro óptico y su principio de funcionamiento es proyectando un haz de luz sobre un espejo de platino que a su vez la refleja hacia una fotoresistencia. Este espejo es calentado o enfriado hasta conseguir un efecto de condensación, y en este momento se calcula el punto de rocío y la humedad relativa del ambiente [24].

c) Sensor de Bulbos Húmedos y Secos (Psicrómetro): Su principio se basa en

la medición de la temperatura, consta de dos termómetros, uno con bulbo seco y el otro húmedo, así se medirá la diferencia entre los dos a medida que la temperatura va cambiando. Al conocerse la diferencia se puede conocer la humedad relativa utilizando ecuaciones, tablas o gráficos psicométricos. Su rango de operación va de 0 a 100%RH con una incertidumbre de ±0,5% [24].

d) Sensores de Bloque de Polímero Resistivo: Su principio de medición es

más complejo, comprende de un sustrato cerámico aislante, el cual se deposita en una rejilla de electrodos y estos se cubren con una sal sensible a la humedad. Esta sal también se recubre con una campa permeable al vapor de agua. A medida que la humedad atraviesa la capa de protección, este resulta ionizado y estos iones se movilizan dentro de la resina. Cuando los electrodos son excitados por una corriente alterna, la impedancia del sensor se mide y es usada para calcular el porcentaje de la humedad relativa [24].

e) Sensores Capacitivos: El principio que maneja estos sensores es el cambio

que sufre la capacidad de un condensador al variar la constante dieléctrica del mismo, por lo tanto se utiliza la mezcla agua-aire como dieléctrico entre las placas del condensador [24]. Estos sensores capacitivos son los más utilizados en la industria y la meteorología, por su bajo costo y alta fidelidad ya que cuenta con mediciones muy exactas.


16

2.1.4 Importancia de la Densidad y Temperatura del Aire en el Cálculo del Potencial Eólico

Para la determinación del potencial eólico se debe tener en cuenta la Ecuación 2:

Ec.2

Donde P es igual a la potencia expresada en Wats, es la velocidad del viento media en m/s, es el radio del rotor del aerogenerador en metros y es la densidad del aire seco en [18]. La ecuación para la densidad se considera como:

Ec.3

Donde M es la masa molar del aire en kg/mol, Z factor de compresibilidad, R constante universal de los gases ideales, T temperatura en grados Kelvin y la presión atmosférica en condiciones dadas kg/ . El aire húmedo consiste de una fracción molar de vapor de agua , y una fracción molar del aire seco (1- ), donde M es:

[ (

)] Ec.4

Donde es la masa molar del aire húmedo, es la masa molar del agua y la fracción molar que se determina como:

Ec.5

Donde es la fracción del vapor de agua en aire húmedo saturado y HR es la humedad relativa calculada.

Para tener una mejor medida y un valor más acertado del potencial que produce un aerogenerador se deben de tener en cuenta unos términos adicionales como [5]:

Ec.6

Donde:


17

= coeficiente de rendimiento (0.59 {Limite de Betz} es la máxima tolerancia

posible, 0.35 para un buen diseño). = eficiencia del generador (80% o posiblemente más si es un generador de imán

permanente o un generador de inducción conectado a la red). = gearbox (caja de cambios)/ eficiencia de los rodamientos (puede ser alta la eficiencia, 95%).

2.2 TIPOS DE POTENCIAL EÓLICOS Existen dos tipos de generación de Energía Eólica. Uno es por medio de generadores eólicos de gran potencia y el otro por medio de generadores de baja potencia eólica.

2.2.1 Generadores Eólicos de Gran Potencia Para la puesta en marcha de Generadores Eólicos de gran potencia es debido realizar una exhaustivo estudio del sector, teniendo en cuenta los mínimos detalles para una buena elección y llevar a cabo satisfactoriamente la generación de energía eólica.

Existen muchas empresas dedicadas a la comercialización de generadores eólicos y otras que prestan el servicio de medición del viento o viceversa. Para la puesta en marcha de una central eólica de gran potencia, comúnmente se necesitan de dispositivos que van ubicados en un mástil (o torre), a varios rangos de altura. En la Figura 11 se muestra los dispositivos típicos utilizados en una torre de medición.


18

Figura 11. Torre de Medición Eólica

Fuente: [21]

Estos dispositivos típicos lo conforman:[22]

a. Data Logger: Son utilizados para almacenar datos adquiridos en los diferentes tipos de mediciones. Existen dos tipos de data loggers para la utilización en el campo de la energía eólica:

o El Windsiter o Wind Classifier: A parte de almacenar datos en una

memoria de baja capacidad, suministran estadísticas semanales o mensuales de los datos.

o El Windcomputer: A diferencia del Windsiter, este dispositivo registra series temporales de los datos adquiridos. Acumula (en memoria de gran capacidad de almacenamiento) datos en intervalos de 1 a 10 minutos aproximadamente haciendo este dispositivo el más utilizado en estos casos.


19

Figura 12. Data Logger Meteo-40

Fuente [21]

b. Sistema de comunicación GSM/GPRS: Hay varias maneras para la

comunicación con las estaciones de trabajo: La opción más común es de tener una red de conexión física directa de estación de trabajo a la estación de medición. Se toma como segunda opción si la comunicación por medio de mensajes de correo electrónico o texto por medio GSM/GPRS, y si en el sector donde está ubicada la estación de medición está en un sitio sin cobertura, se puede enlazar por medio satelital a la estación de trabajo.

Figura 13. Dispositivos de Comunicación Satelital y GSM/GPRS

Fuente [21]


20

c. Anemómetros (Thies First Class Advanced3): Los 3 anemómetros utilizados en la torre, están ubicados en diferentes alturas para brindar diferentes tipos de datos. Dos de estos anemómetros son los tipo copa seleccionados según el porcentaje de error y presupuesto que se tenga, debido a que a menor sea el porcentaje de error de un anemómetro, su costo será más elevado. El otro anemómetro es un anemómetro ultrasónico que son diseñados con un modelo robusto de alta resistencia y un buen porcentaje de error.

d. Veletas (Thies First Class o Thies Compact4): Las veletas utilizadas en estas instalaciones son ubicadas a la altura en la que se encuentran los anemómetros tipo copa, con el fin de tener muestras de estos dos dispositivos en las mismas condiciones climáticas. Principalmente se utilizan las veletas con mayor precisión de medida según su posición. Son robustas y cuentan con calefacción cuando están expuestas a temperaturas extremas.

e. Sensor de Humedad y Temperatura:

El sensor de temperatura es utilizado principalmente para tener en cuenta los rangos máximos y mínimos de la temperatura del lugar a la hora de realizar el montaje del aerogenerador debido a que los sensores que van a permanecer con este son sensibles a altas y bajas temperaturas. El sensor de humedad se utiliza en complemento con el sensor de temperatura para estado de información del tiempo e información en caso de que el aerogenerador se vea afectado por la corrosión debido a altos porcentajes de humedad.

Figura 14. Sensor de Humedad y Temperatura

Fuente [21]

3 Tabla 4. Medición del porcentaje de error del anemómetro tipo copa

4 Tabla 3. Precisión de las Veletas


21

f. Sensor de Presión Barométrica:

Los sensores de presión barométrica o también conocido como presión atmosférica, miden la presión del aire por medio de sensores piezoeléctricos que son amplificados para tener una salida de 0 a 5v.

Figura 15. Barómetro tipo AB 60

Fuente [21]

g. Panel Solar:

De acuerdo a los sensores ubicados en la torre de medición, algunos de estos necesitan energía para un correcto funcionamiento como lo son los data loggers, sensores con calefacción incorporada y los sistemas de comunicación inalámbrica.

Figura 16. Panel Solar

Fuente [21]

Y dispositivos opcionales:

h. Sensor de radiación solar/Piranómetro: Los piranómetros son dispositivos que miden la radiación solar por medio de semiesferas transparentes, por las cuales circula la radiación solar e incide sobre una placa negra situada debajo de estas, que al calentarse genera señales a los elementos termosensibles que están debajo de esta placa. [15]


22

Figura 17. Piranómetro

Fuente [22]

i. Luces de Aviso: Las luces de aviso se instalan en la cima de la torre de medición con el objetivo de dar aviso al tráfico aéreo de que existe un obstáculo de gran altura en esa posición.

Figura 18. Luz de Aviso Modelo 702-5

Fuente [21]

La altura promedio de estos dispositivos que se encuentran en la torre de medición se muestra en la Figura 19.


23

Figura 19. Altura promedio de los Dispositivos de Medición

Fuente [21]

Estos dispositivos utilizados son debidamente evaluados por los protocolos de calibración especializados en aplicaciones de energía eólica. Para las Veletas existe una tabla de clasificación según su precisión, el cual se muestra en la Tabla 3:

Tabla 3. Precisión de las Veletas

VELETA PRECISIÓN

Thies Compact TMR ±1°

Thies Compact Potentiometer ±2°

Thies First Class TMR 0.5°

Thies First Class Potentiometer 1°

Fuente: [21]


24

Las veletas y anemómetros que se utilizan en este medio manejan un papel muy importante y por esto su rango de precisión es evaluado por varias empresas de calibración debidamente certificadas. En la Tabla 4, observamos la clasificación el error de los anemómetros de copa acuerdo al estándar internacional IEC 61400-12-1.

Tabla 4. Medición del porcentaje de error del anemómetro tipo copa

ANEMÓMETRO TIPO COPA CLASE A (%) CLASE B (%)

NRG max 40 2.4 7.7

Risø P2546 1.9 8.0

Thies First Class 1.5 2.9

Vaisala WAA151 1.7 11.1

Vector L100 1.8 4.5

Thies First Class Advanced 0.9 3.0 Fuente: [21]

Para estas medidas existen dos tipos de clases: La Clase A corresponde a lugares razonablemente planos y la Clase B corresponde a terrenos complejos o montañosos. Según esta tabla se cerciora la calidad del anemómetro que se quiere adquirir. Estas torres de medición, como se presentó anteriormente, adquieren los datos para ser almacenados y estudiados en las estaciones de trabajo según el propósito de los aerogeneradores que se requieran instalar. Los generadores eólicos más utilizados en la industria son los de 3 aspas. En la Figura 20 veremos un ejemplo de un aerogenerador de este tipo.


25

Figura 20. Aerogenerador E-82 E3

Fuente [38]

Este aerogenerador es el modelo E-82 E3 con una potencia nominal de 3.000kW, con un diámetro del rotor de 82m y velocidad de desconexión por altas velocidades de 28 – 34 m/s. Esta empresa (ENERCON5) fabrica y vende aerogeneradores para la industria eólica, y fabricó uno de los más grandes aerogeneradores que existen llamado E-126 con un diámetro de rotor de 127m con una potencia nominal de 7.580kW6. El más grande aerogenerador construido en la actualidad (Ver Figura 21), es construido por la empresa Alstom Power, instalado el 19 de marzo del presente año ubicado sobre la costa francesa. El prototipo de 176 metros de altura y 150m de diámetro del rotor, alcanza a generar 6.000kW de potencia nominal.

5 http://www.enercon.de/es-es/

6 http://www.enercon.de/es-es/e-126-7500kw.htm

http://www.enercon.de/es-es/

http://www.enercon.de/es-es/e-126-7500kw.htm


26

Figura 21. Aerogenerador Haliade 150

Fuente [1]

En la Figura 22 se puede tener una idea de los tamaños de los aerogeneradores que están actualmente en campos eólicos.

Figura 22. Tamaño Aerogeneradores

Fuente [1]

En la industria también existen los aerogeneradores de un aspa o de dos aspas: Los aerogeneradores monopala (un aspa) son también conocidos como generadores eólicos pendulares, debido a su movimiento pendular. Estos generadores tienen un


27

rango de potencia desde 60kW hasta los 2.000kW, necesitan mayores velocidades de viento para la producir energía, igual como pasa con los aerogeneradores bipala. El monopala es poco usado en la industria de los aerogeneradores de gran potencia pero en la actualidad existen proyectos que utilizan estos aerogeneradores como lo es el proyecto Nazareth en la Guajira Colombia el cual comprende de dos aerogeneradores de 100kW y otros dispositivos que ayudan al sostenimiento de energía en los pueblos de nazareth y puerto estrella en la guajira [7]. En la Figura 23 se puede observar el aerogenerador monopala instalado en el pueblo de nazareth.

Figura 23. Aerogenerador Pendular o Monopala

Fuente [7]

Los parques eólicos son monitoreados constantemente con el fin de mantener una producción continua de energía, ver el estado de los aerogeneradores y para realizar estudios pertinentes de energía. Debido a que los parques eólicos generan demasiados datos, estos principalmente utilizan sistemas SCADA (ingles: Supervisory Conrol and Data Acquisition español:


28

Control de Supervisión y Adquisición de Datos) para la supervisión, controlar los procesos a distancia, brindar soporte para el manejo de datos, tener datos históricos y ver en línea lo que ocurre en el parque para tener un mejor rendimiento [20]. Los fabricantes de aerogeneradores eólicos tienen en cuenta los sistemas SCADA y brindan soporte para el manejo de este.

Una de las empresas dedicadas a vender aplicaciones de software para el manejo de datos del SCADA en parques eólicos es AWS TruePower. Esta empresa ofrece la maximización de los recursos, visibilidad de todas las partes del parque, entre otros. Todos los generadores eólicos pueden estar acompañados por otros sistemas de generación de energía. A estos sistemas se les llama “Sistemas Híbridos”, a los que se encuentran acompañados de sistemas de energía convencionales en diferentes configuraciones tales como:

Uno o más fuentes de energía renovables fotovoltaicas, eólicas o hidroeléctricas.

Uno o más fuentes de energía convencionales como la diesel.

Debe tener sistemas de almacenaje de tipo mecánico, electroquímico o hidráulico.

Debe tener un sistema de condicionamiento de la potencia, como lo son el inversor, rectificador y reguladores de carga.

Debe tener un sistema de regulación y control [3].

Estos sistemas híbridos son perfectos para proporcionar 80% y 90% de abastecimiento de energía para áreas aisladas o no electrificadas y dejar a un lado poco a poco el consumo desenfrenado de sistemas convencionales y no renovables de producción de energía.

2.2.2 Generadores Eólicos de Baja Potencia Existen definiciones en las cuales se pueden diferenciar los Generadores Eólicos de baja potencia a los de alta potencia. Como se vio anteriormente los generadores de alta potencia han llegado a generar hasta los 7.580kW de potencia nominal. Para los generadores de baja potencia existen diferentes definiciones según las

asociaciones de energía eólica como lo son:


29

La Asociación Alemana de Energía Eólica (BWE) define a los

aerogeneradores pequeños como turbinas de viento hasta 100kW de

potencia nominal.

La Asociación Británica de Energía Eólica (BWEA) refiere a los pequeños

sistemas eólicos con un rango de hasta los 50kW de potencia nominal.

Aparte de este rango define como viento pequeño potencias que superen

los 20kw y menores que estos a micro sistemas de viento.

Otra definición la propone la norma IEC 61400-2:2006-NORM. Esta norma

es un requisito para el diseño de pequeñas turbinas eólicas con un rango

máximo de potencia nominal de hasta los 70kW [39].

Actualmente existen diferentes tipos de aerogeneradores de baja potencia, de diferentes tamaños y diseños. Algunos de estos aerogeneradores son:

Aerogeneradores de Viento de Eje Vertical: Los aerogeneradores de eje vertical son ideales para utilizarlos principalmente en zonas urbanas y rurales, debido a que no dependen de una dirección fija del viento, simplemente aprovecha el flujo del viento en cualquier dirección (omni-direccionales). En el año de 1922 el Finlandés Sigurd J. Savonius inventó la primer turbina de eje vertical llamada Rotor Savonius. La cual consta de una fácil fabricación con implementos de bajo costo. Esta turbina podía generar unos cientos de vatios con este modelo que se muestra en la Figura 24, siendo utilizada para sistemas de bombeo u aplicaciones que exijan poco consumo de energía.


30

Figura 24. Rotor Savonius

Fuente [30]

En 1931 el francés George Darrieus, inventó un nuevo diseño que consta de 2-3 palas que se encuentran inclinadas en forma de semicírculo. Esta turbina puede desarrollar mayores velocidades de giro, pero con una baja torsión de arranque. En la Figura 25, se observa un ejemplo de esta.

Figura 25. Rotor Darrieus

Fuente [30]

Estos modelos creados han recibido varias modificaciones con el paso del tiempo para obtener una mayor eficiencia y potencia generada. Uno de los modelos de Darrieus más comerciable es el modelo que fabrica la empresa HEOS Energy7, este tiene una potencia nominal de 75kW, un diámetro de 15m e inicia a generar energía con vientos de 3m/s hasta los

7 http://www.heos-energy.de/

http://www.heos-energy.de/


31

16m/s, cuando llega a este máximo el aerogenerador entra en modo de protección por vientos fuertes. En la Figura 26 se muestra el modelo.

Figura 26. Aerogenerador Modelo HEOS H75

Fuente [39]

Para el modelo Savonius existen muchos diseños muy eficientes, como lo es el modelo de la empresa VENGER Wind8, la cual alcanza a generar 4.5kW de potencia nominal, diseño en aluminio resistente y acero inoxidable, aprovecha los vientos omni-direccionales y su diseño robusto lo hace perfecto para zonas urbanas y rurales. En la Figura 27 se observa el aerogenerador evolucionado del modelo Savonius.

Figura 27. Aerogenerador Modelo V2 Turbo

Fuente [37]

8 http://vengerwind.com/

http://vengerwind.com/


32

Este aerogenerador puede ser instalado para complementar el consumo de energía de casas, edificios o aplicaciones que necesiten de ayuda en ahorro de energía. En la Figura 28 se puede observar un ejemplo de la instalación de un banco de estos aerogeneradores instalados en lo alto de un edificio ayudando a reducir el consumo de energía y dándole una fachada más futurista y conceptual a este.

Figura 28. Instalación Edificio Aerogeneradores

Fuente [37]

Aerogeneradores de Viento de Eje Horizontal:

Los aerogeneradores de eje horizontal son similares en diseño a los generadores eólicos de gran potencia pero en tamaño reducido. Estos aerogeneradores como los de eje vertical, producen una potencia nominal por debajo de los 100kW y los hay de varios diseños de acuerdo


33

al número de aspas que utilicen. Si tienen demasiadas aspas disminuirá la velocidad de rotación y no producirá un buen potencial energético.

Figura 29. Aerogenerador Multipala

Fuente [3]

Se ha optado por el diseño de los aerogeneradores tripala para muchos hogares, fincas o industrias que buscan disminuir su consumo de energía y contribuir al medio ambiente. Estos pueden llegar a generar un buen potencial eólico según sus dimensiones y teniendo en cuenta que el sistema que se quiere abastecer no sobrepase los límites de producción de este. En la Figura 30 se observa un tipo de generador tripala y en la Gráfica 1 la potencia nominal generada según la velocidad del viento.

Figura 30. Aerogenerador Tripala

Fuente [32]


34

Gráfica 1. Curva Característica Potencia vs Velocidad

Fuente [32]

Como se observa en la Gráfica 1, el aerogenerador inicia su funcionamiento a partir de vientos que superen los 2.4m/s y se desactiva por fuertes vientos a los 11.6m/s. Tiene un diámetro de 8.9m, altura de 18m, una potencia nominal de 20kW y un voltaje de en AC de 60-500V. En el mundo existen muchos modelos y diseños diferentes de aerogeneradores de baja potencia, en el cual estos revolucionan la forma de adquirir energía a través del viento. Algunos diseños llegan a ser tan buenos que sobrepasan el límite de producción por mes de 100kW, pero siguen siendo enfocados en abastecer hogares, granjas, etc. que necesitan o se quiere reducir el gasto de energía no renovable. El diseño de la empresa ARISTA Power9 ha sido uno de los diseños más revolucionados y eficientes respecto al tamaño del que esta diseñado este aerogenerador. En la Figura 31 se observa el diseño del aerogenerador y en la Figura 32 se observa un ejemplo de instalación.

9 http://aristapower.com/

http://aristapower.com/


35

Figura 31. Aerogenerador WINDTAMER 8.0

Fuente [9]

Figura 32. Ejemplo Instalación WINDTAMER 8.0

Fuente [9]

El aerogenerador tiene una altura aproximada de 12m y diámetro del rotor de 2.5m. Inicia su producción con velocidades de 2m/s y tienen una potencia máxima de 4.8kW.

Para la medición del potencial eólico de los aerogeneradores de baja potencia ya no se utilizan tantos dispositivos como lo hacen los de gran potencia. Existen varios métodos para determinar de qué forma se obtendrán los datos, según sea este, varían los dispositivos a utilizar.

Como primera opción se debe investigar si en lugares cercanos existen otros tipos de instalaciones de aerogeneradores de baja potencia, para así poder recurrir a los datos que anteriormente estos recolectaron, como lo son la velocidad media del viento anual y por meses, la distribución de las direcciones de la velocidad del viento y los rangos máximos y mínimos de velocidades alcanzadas en la zona [14].


36

Como segunda opción se puede utilizar los datos de estaciones meteorológicas cercanas, con un rango de los 30-120km del lugar donde va(n) a ser instalado(s) el(los) aerogenerador(es), teniendo en cuenta la rugosidad del terreno [14]. Como tercera opción se tienen las mediciones in situ, las cuales se llevan a cabo mediante anemómetros instalados en los puntos donde se ubicarán los aerogeneradores. Estas mediciones son un poco duraderas, mínimo 1 año para estos aerogeneradores de baja potencia ya que se debe tener en cuenta todas las estaciones del año. Si se quiere tener una medida confiable del potencial eólico que se puede tener en la zona, esta es la mejor manera de obtener los datos de viento para la instalación [14]. Uno de estos dispositivos que se encuentran en el mercado es el “Registrador de Viento PCE-WL 2”. Este dispositivo mide velocidad del viento hasta los 40m/s y la dirección en un rango de 2.5° hasta 357.5°, es resistente a la intemperie, almacena los datos recolectados en una memoria SD (máximo de 2GB) y los almacena en intervalos de 10 segundos, 1 minuto o 10 minutos [31].

Figura 33. Registrador de Viento PCE-WL 2

Fuente [31]

Este Registrador tiene un valor de $2’108.415. También se encuentra este mismo pero la versión PCE-WL 1 que solo consta del anemómetro y su registrador, y tiene un valor de $1’069.805. En este proyecto se utiliza el método de medición in situ, debido a que puede ser implantado para cualquier persona o industria que lo requiera, dado el caso que no pueda tener acceso a suficientes datos de estaciones meteorológicas cercanas o no se encuentren generadores instalados en su zona.


37

2.3 TOPOLOGÍA BÁSICA DE LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS La topología básica de un sistema de comunicación comprende de un Transmisor, Canal y el Receptor. Cada uno de estos los compone:

2.3.1 Transmisor

1. Señal de Información: La señal de transmisión puede ser una señal de voz (200Hz-4kHz), una señal de audio (20Hz-20kHz), de video, música, etc.

2. Señal Portadora: También conocida como “carrier”, es una onda pura (sin señal), en la cual la señal de información se enlaza con esta para poderla transmitir.

3. Etapa de Modulación: Para transmitir esta señal de información se modifican las ondas electromagnéticas en un proceso llamado modulación, en la cual se enlaza la señal de información modificando una propiedad de la aportadora.

4. Amplificación de Salida: La amplificación se encarga de incrementar la señal que se quiere transmitir para que la potencia de esta no decaiga y se pierda la señal.

2.3.2 Canal

5. Medio de Transmisión (inalámbrico) El medio de transmisión para comunicaciones inalámbricas es el aire. Por medio de este, se transmiten las ondas electromagnéticas (OEM) que llevan la información. Las OEM se producen cuando un campo magnético y un campo eléctrico interactúan entre sí de forma cíclica mientras se van propagando por el espacio.

2.3.3 Receptor

6. Amplificación de Entrada


38

La potencia de la OEM puede decaer debido al ruido que siempre esta presente en todo sistema de comunicación. Este ruido puede disminuirse con varios métodos como utilizar circuitos amplificadores, modelos de modulación o codificación, etc.

7. Etapa Demoduladora Esta etapa es la encargada de recuperar la señal de transmisión que viene enlazada en la portadora.

8. Transductor de Salida Este transductor se encarga de convertir la señal de transmisión en la señal

de información original que puede ser voz, datos, video, etc.

Las frecuencias trabajan en todo el espectro electromagnético y han sido

clasificadas según el rango en que se encuentran. En la Tabla 5 se observa la

clasificación de las bandas de frecuencia.

Tabla 5. Bandas de Frecuencia

Sigla Rango Denominación Empleo

VLF 10kHz a 30kHz Muy baja frecuencia

Radio de gran alcance

LF 30kHz a 300kHz Baja frecuencia Radio y Navegación

MF 300kHz a 3MHz Frecuencia media Radio de onda media

HF 3MHz a 30MHz Alta frecuencia Radio de onda corta

VHF 30MHz a 300MHz Muy alta frecuencia

TV y Radio

UHF 300MHz a 3GHz Ultra alta frecuencia

TV, Radar y Telefonía móvil

SHF 3GHz a 30GHz Súper alta frecuencia

Radar

EHF 30GHz a 300GHz Extra alta frecuencia

Radar

THF 300GHz a 3THz Frecuencia tremendamente

alta

Aplicaciones con Terahercios

Fuente [26]


39

2.4 SISTEMAS DE COMUNICACIÓN DE RADIOFRECUENCIA Algunos de los sistemas de comunicación de radiofrecuencia utilizados actualmente son:

2.4.1 Bandas reguladas GSM (Global System for Mobile Communications): La red GSM es un

sistema de telecomunicaciones digitales celulares la cual proporciona enlaces de comunicación entre usuarios del servicio de comunicaciones móviles. El sistema GSM maneja dos conceptos básicos para mantener una comunicación los cuales son: Itinerancia (roaming), la cual permite a los usuarios transitar entre varios operadores incluso en diferentes países, y el Traspaso (handover), que mantiene al usuario tener una conexión mientras transita de una célula a otra. Aparte de estos dos conceptos, la red GSM proporciona al usuario tener movilidad personal por medio de una tarjeta inteligente llamada SIM (Subscriber Identity Module) con la cual puede cambiar de terminal en terminal y seguir teniendo una comunicación móvil GSM. La arquitectura de una red GSM comprende de [27]:

I. Estaciones Móviles (MS, Mobile Stations): Estas estaciones son los terminales de usuarios como por ejemplo los teléfonos móviles.

II. Subsitema de Estaciones Bases (BSS, Base Station Subsystem): Encargada de la gestión de recursos para la transmisión vía radio. Cada una de estos subsistemas comprenden de un Controlador de Estación Base (BSC, Base Station Controler), la cual es responsable de gestionar localmente los recursos de las Estaciones Transceptoras Base (BTS, Base Transceiver Station).

III. Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC, Mobile Switching Center): Este centro de comunicación se encarga de controlar la señalización y el procesamiento de las llamadas, enlazando a los sistemas y funcionando como una central de conmutación coordinando también el traspaso entre células cuando el terminal móvil pasa entre ellas.


40

IV. Existen 3 tipos de Registros de información, los cuales son:

a. Registro de Localización Local (HLR, Home Location Registrer): El cual registra y almacena periódicamente el punto de localización del terminal móvil.

b. Registro de Posiciones de Visitantes (VLR, Visitor Location Registrer): Registra igual que el HLR pero cuando el terminal móvil cambia de zona de localización.

c. Centro de Autenticación (AUC, Authentication Center): Este centro de autenticación se encarga de garantizar la seguridad y de generar claves para la confidencialidad de los usuarios de los terminales móviles.

V. Centro de Operación y Mantenimiento (OMC, Operational and

Maintenance Center): En este centro se coordina la supervisión técnica del sistema para detectar fallas y poder resolverlas en el mínimo tiempo posible.

VI. Centro de Servicio de Mensajes Cortos (SMS-SC, Short Message

Service – Service Center): Este centro de servicios se encarga del envío y almacenamiento de mensajes. La interfaz que lo controla se denomina SMS-GMSC.

GPRS (General Packet Radio Service): Esta tecnología es una evolución del sistema GSM, estableciendo una conexión por paquetes y así varios de estos paquetes se pueden enviar por una misma línea. El GPRS permite el cobro por cantidad de datos transmitidos y no como trabaja el GSM que permitía el cobro por tiempo de conexión. Todo el sistema de red GSM que se encuentra implantado es usado por la red GPRS aplicando unas pocas modificaciones en estas, permitiendo un ahorro en costos de instalación [10].

CDPD (Cellular Digital Packet Data): Este sistema de comunicación iniciada en 1991 por una patente realizada por tres investigadores de la IBM, la cual utiliza las mismas frecuencias de transmisión que actualmente dispone las señales de voz. Debido a esto, CDPD tiene que moverse entre canales de comunicación para no interferir en las señales de voz, este movimiento de cambio de canal se le denomina Salto de


41

Canal (Channel Hop), en la Figura 34 se observa un ejemplo de este movimiento [16].

Figura 34. Salto de Canal (Channel Hop)

Fuente [16]

CDMA (Code Division Multiple Acces, Acceso Míltiple por División de

Código): Se le llama acceso múltiple debido a que permite a varios usuarios acceder, por medio de códigos, a un mismo medio de comunicación (mismo canal de banda ancha) y tiene como características permitir diferentes tipos de tráficos, controlar el acceso a los usuarios, asignar recursos para que el medio de transmisión que se esta utilizando sea eficiente, ser estable y robusto a condiciones de cambio [16].

Microondas: Los sistemas microondas es uno de los más utilizados para

las líneas de transmisión telefónicas inalámbricas interurbanas, en televisión, en comunicaciones de radar y de banda ancha. Este sistema de comunicación son muy utilizados para localidades remotas. Existen dos tipos de transmisión de información para microondas, las microondas terrestres de larga distancia y las microondas por satélite.

Satélites de comunicaciones: Los hay de dos tipos: Geoestacionarios y de orbita baja y media.

Geoestacionarios: Estos satélites permanecen fijos en el espacio respecto a un observador terrestre, pero en realidad poseen órbitas circulares y giran en la misma dirección de la tierra. Para que puedan transmitir información en cualquier parte de la tierra, se necesitan de 3 satélites espaciados 120° cada uno. En la órbita geoestacionaria se pueden operar satélites en el orden de 1° de separación entre ellos a una distancia de la tierra de 35.786km.


42

De Órbita Baja y Media: Los satélites de órbita baja se encuentran situados a una distancia de la tierra entre los 400 y 2.500km de altura. Poseen órbitas elípticas y alcanzan a darle una vuelta a la tierra en 90 minutos con una altura aproximadamente de 800km. Los de órbita media cambian la altura respecto a los de órbita baja, entre los 4.000 y 15.000km de altura. Para lograr una cobertura en toda la tierra es necesario como mínimo de 10 satélites situados en dos planos a 45° respecto al ecuador [6].

2.4.2 Bandas no reguladas

Como el Bluetooth y el WIFI. Bluetooth: Esta tecnología brinda comunicación inalámbrica entre

dispositivos que contengan bluetooth (Estándar IEEE 802.15.1). Se puede transferir datos y voz a una distancia aproximadamente de 10 metros con una velocidad de transmisión máxima de 720Kbps. Utiliza bandas que van desde 2.4 a 2.48GHz con una potencia de salida de 1mW para distancias máximas de 10 metros y para distancias más grandes alcanza a tener una potencia de salida de 100mW (la misma que se utiliza en la red WiFi) [40].

WiFi (Wireless Fidelity): Definida en el estándar IEEE 802.11, esta tecnología se desarrolló para crear Redes de Área Local (LAN) inalámbricas pero comúnmente se utiliza para el acceso a internet de forma inalámbrica. Trabaja a velocidades de transmisión aproximadamente de 11 megabits por segundo en el rango de frecuencia de los 2.4GHz. Tiene un alcance de unos cientos de metros, haciéndolo mucho más práctico y económico que montar una red LAN [23].


43

3. METODOLOGÍA

Para la implementación del prototipo de adquisición de potencial micro-eólico propuesto en este proyecto y como objeto la adquisición de las variables temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento (las cuales son necesarias para la valoración del potencial eólico de acuerdo a la Ecuación 2 vista en la sección 2.1.4), se consideraron dos opciones para su adquisición y su almacenamiento las cuales son:

1. Obtención de las variables por medio de un microcontrolador: El diseño por medio de un microcontrolador implica el manejo de conversores análogos/digitales o viceversa para poder procesar todas las entradas y salidas de las variables a trabajar ya que algunos de estos sensores entregan la información de forma análoga. Para el almacenamiento de datos se necesitará de una memoria de ROM para el almacenamiento temporal de estos y luego pasar los datos a una memoria SD o USB, dando la necesidad de obtener un módulo de comunicación para estos puertos (USB o SD). Al adquirir un módulo se necesitará un protocolo de comunicación entre el módulo y el diseño. Teniendo los componentes necesarios para la adquisición y almacenamiento de datos, el montaje de los componentes en una protoboard para realizar las pruebas, se puede dificultar debido a varios problemas como por ejemplo el tiempo que se necesita para reprogramar el microcontrolador, los costos que puede generar la compra de todos los integrados a la hora de pensar en la producción en masa, mal diseño de la construcción de la protoboard impidiendo así la conducción de la corriente, la sobretensión en implementos llevándolos a su pérdida, e infinidades de problemas que pueden existir en el montaje de dispositivos electrónicos en protoboards.

2. Obtención de las variables por medio del Kit de desarrollo de altera DE2: Por medio de este Kit de desarrollo se puede diseñar el microcontrolador el cual llevará los puertos I/O (o bidireccionales) necesarios para el proyecto, se tiene acceso a la tarjeta SD para el almacenamiento de datos, se puede direccionar los pines de puerto serial RS232 para la comunicación con el módulo GSM, se tiene dos fuentes de voltaje de 3,3V y 5V para la alimentación de los sensores y el módulo GSM. De acuerdo a esto en este proyecto se trabajará con el Kit de desarrollo DE2.


44

3.1 DISEÑO HARDWARE De acuerdo a la Ecuación 2 vista en la sección 2.1.4, para el cálculo del potencial eólico se necesitan variables como la temperatura, humedad y velocidad del viento. El diseño base consta de:

Gráfica 2. Diseño Base

Para el desarrollo del prototipo, se necesita de un sensor de Velocidad y Dirección del viento el cual se encargará de sensar periódicamente estas variables conjuntamente con un sensor de Temperatura y Humedad, ya que estas 4 variables se necesitarán para la valoración del Potencial Micro-Eólico. Los sensores serán monitoreados para su buen funcionamiento en caso tal que se presente algún evento que pueda interferir en la adquisición de las variables. Las muestras adquiridas por estos sensores deben ser almacenadas en algún tipo de memoria para su posterior lectura y análisis de los datos. De acuerdo a los requerimientos del prototipo los dispositivos utilizados son:

FPGA DE2

Sensores de Temperatura

Sensores de Humedad

Sensores de

Velocidad del Viento

Almacenamiento de Datos

Comunicación Inalámbrica

SISTEMA DE PROCESAMIENTO

DE DATOS Y SEÑALES


45

Transmisor de Temperatura y Humedad (SHT15)

Sensor de Velocidad (Reed Switch)

Sensor de la Dirección del Viento (Encoder Absoluto)

Módulo de comunicación GSM (M95) En la siguiente figura se observa el diseño general del hardware del sistema.

Figura 35. Diseño General del Hardware del Sistema

En el diseño general del hardware se observa los sensores utilizados como el transmisor de temperatura y humedad el cual se comunica con la FPGA por medio de 4 Bits, dos para la alimentación del transmisor y los otros dos para la comunicación y sincronización. El sensor de velocidad del viento (anemómetro) se comunica por medio de niveles lógicos o un tren de pulsos que deben ser contabilizados para determinar la velocidad del viento. La veleta (Encoder Absoluto) se encarga de obtener la dirección del viento y se comunica por medio de 4Bits trabajando conjuntamente por un tren de pulsos o datos en serie o paralelo con la FPGA.


46

El Módem GSM utilizado para la transmisión del estado del prototipo se comunica por medio de comandos AT (Attention) los cuales son instrucciones codificadas por lo cual conforman un lenguaje de comunicación entre el usuario y el modem GSM.

3.1.1 FPGA DE2

Uno de los principales motivos por el cual se utiliza el kit de desarrollo DE2 de ALTERA, es debido a la amplia gama de componentes que posee para la integración de los sensores, transmisores y el almacenamiento de datos. Esta FPGA (Field Programmable Gate Array) tiene la capacidad de reconfigurarse y diseñar el software que se utiliza en el proyecto, puede almacenar los datos que se recolectan directamente en una memoria SD para su estudio pertinente. La implementación del software es explicada en la sección 3.2.

Figura 36. DE2-ALTERA

Fuente [8]

3.1.2 Transmisor de Temperatura y Humedad

En este proyecto se utiliza el transmisor SHT15 de la empresa SENSIRION10 para medir la temperatura y la humedad, ya que posee una gran estabilidad en la precisión de la humedad relativa (RH) a medida que esta va aumentando (0 a 100% RH), y porque sus valores de precisión que se encuentran entre ±1°C en un

10

http://www.sensirion.com/en/home/#

http://www.sensirion.com/en/home/


47

rango de temperatura de aproximadamente -20°C a +70°C. El transmisor de Temperatura y Humedad tiene un tamaño muy reducido lo cual lo hace más práctico para su instalación y movilidad como se observa en la Figura 37.

Figura 37. Medidor de Temperatura y Humedad SHT15

Fuente [35]

El SHT15 es uno de los 5 medidores de temperatura y humedad de este distribuidor, los cuales son el SHT10, SHT11, SHT15, SHT71 y SHT75. En las Gráficas 3 y 4, entregadas por el fabricante, se muestra el comportamiento de cada uno de estos medidores según varía su temperatura o humedad y se observa que el SHT15 tiene un comportamiento más estable y preciso que los demás medidores.

Gráfica 3. Precisión de la Humedad Relativa (RH)

Fuente [36]


48

Gráfica 4. Precisión de la Temperatura

Fuente [36]

El transmisor SHT15 comprende de 4 pines para su funcionamiento, los cuales son: VCC, GND, SCK y DATA. El pin data es un puerto bidireccional, este es manejado por un registro que indica la dirección en que fluirán datos. Este transmisor es un dispositivo que entrega los datos de medición (temperatura y humedad), en formato digital, lo cual favorece su integración con la FPGA por medio de los 36 pines digitales que posee (ya sean de entrada, salida o Bidireccional). Esta característica fue tenida en cuenta en el momento de escoger el mejor transmisor para la medición de estas variables en el sistema.

Para su funcionamiento se debe mandar una secuencia entre los pines DATA y SCK para realizar la transmisión de inicio y para indicarle al transmisor que tipo de medición se desea realizar, si es temperatura o humedad. A cada uno se le envía un código diferente para el pedido de medición. En la Figura 38, se observa el esquema de conexión del transmisor.

Figura 38. Conexión del Transmisor

Fuente [36]


49

3.1.3 Sensor de Velocidad y Dirección del Viento

El tipo de medidor de viento más utilizado en la industria eólica es el “tipo copa” debido a su gran estabilidad, mayor precisión y gran resistencia en la intemperie. Debido a esto y para tener una mejor medición para valorar el potencial eólico, en este proyecto se utilizó el medidor de velocidad del viento con un sensor tipo copa, el cual viene combinado con el sensor de la dirección del viento, proporcionando así un dispositivo más compacto para la medición de estas variables. Este dispositivo se escogió de acuerdo a las especificaciones de medición, la cual para la velocidad del viento tiene un rango de 0 a 111.8mph (0 a 180km/h) con una resolución de 0.1mph (0,16km/h) y el rango de medida de la dirección del viento de 0° a 360°, y también se seleccionó debido a su bajo costo (50 dólares) y autonomía en las medidas de velocidad y dirección del viento. El Medidor de Viento La Crosse Technology11 modelo TX-23U es adaptable a estaciones meteorológicas de esta misma marca como por ejemplo WS-1610U-IT o WS-1612U-IT. En la Figura 39 se muestra el modelo del sensor de viento.

Figura 39. Medidor de Viento TX-23U

Fuente [25]

El anemómetro tipo copa trae consigo un pequeño imán que hace excitar un sensor de efecto hall (Reed Switch) la cual cada vez que da un giro, dos pequeñas láminas ferromagnéticas interactúan con este campo conduciendo corriente eléctrica. Los

11

http://www.lacrossetechnology.com/

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50

pulsos producidos por cada giro son llevados a la entrada de los puertos de expansión I/O de la FPGA que son configurados como puertos de entrada.

Figura 40. Ubicación del imán en el anemómetro

Fotografía 1. Sensor Efecto Hall del Medidor de Viento

El sensor que permite dar la ubicación o dirección del viento es un Encoder Absoluto de 4bits. Por medio de este se tomaron sus 4 señales digitales que según la codificación de los bits, tendrán una dirección determinada, la cual será explicada en la siguiente sección. Estas señales se conectaron al puerto de expansión I/O de la FPGA para su respectiva lectura. En la Fotografía 2 se muestra el encoder que posee el medidor de viento.


51

Fotografía 2. Encoder Medidor de Viento

3.1.4 Módulo GSM En el proyecto se seleccionó el módulo GSM M95 de QUECTEL12 para manejar el estado de las alarmas del dispositivo el cual se muestra en la Figura 41. Se escogió este dispositivo de acuerdo a su fácil adquisición, bajo costo y a sus especificaciones como por ejemplo su bajo consumo de corriente y a su buena velocidad de transferencia de datos GPRS (Clase 12). En la Tabla 6 se observa sus especificaciones comparándolas con otros módulos GSM.

Figura 41. Módulo GSM M95

Fuente [34]

Tabla 6. Especificaciones M95 vs BxS2 vs XE865

Especificaciones M95 C-company BXS2 T-company XE865

Tamaño (mm) 19X23,6X2,65 18,8X26,7X2,7 22X22X3,0

Empaque LCC LGA BGA

Consumo de Corriente

Modo de Suspensión

0,9mA @DRX=5 0,7mA @DRX=9

1.5mA @DRX=5 1.2mA @DRX=9

1.5mA @DRX=9

GPRS Clase 12 Max:85.6kbps

Clase 10 Max:42.8kbps

Clase 10 Max:42.8kbps

12

http://www.quectel.com/


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Sensibilidad -108.5dBm -107dBm -107dBm

Método de Apagado Por “PWRKEY” o Comandos AT

Solo Comandos AT Solo Comandos AT

Interface de Audio 2 canales 1 canal 1 canal

Fuente [11]

En la tabla se observa que este módem GSM tiene una velocidad de transmisión de datos máxima de 85.6kbps, comparte dos canales de interface de audio y tiene un bajo consumo de corriente modificando el DRX (Discontinuos Reception) para que entre en modo de suspensión cuando no esté esperando mensajes entrantes. El módulo GSM permite enviar 3 alarmas para que el usuario esté al tanto del buen funcionamiento del dispositivo. Estas alarmas son: Obstrucción del anemómetro, Obstrucción de la Veleta y Cambio Drástico en la Temperatura. Este dispositivo se comunica por medio de comandos AT (Attention); lenguaje estándar adoptado para la comunicación GSM en las telefonías móviles, la cual sirve de interfaz para la configuración de estos dispositivos. Estos comandos son instrucciones que forman un lenguaje de comunicación entre el humano y un terminal modem. Su implementación para el envío de mensajes se encuentra expuesta en la siguiente sección.

3.2 DISEÑO DE SOFTWARE Una parte importante del proyecto fue la implementación del software, ya que este forma parte fundamental del prototipo. El diseño fue realizado utilizando el kit de desarrollo DE2 de ALTERA utilizando el software QUARTUS II Web Edition13 versión 11.0. En este software viene una herramienta de desarrollo de sistemas programables en un Chip System – on a – Programable – Chip (SOPC), en el cual se puede trabajar con el Procesador Nios II (arquitectura Von Neuman- un solo bus para datos y direcciones) en sus tres versiones (Figura 42), según la complejidad del proyecto.

13

https://www.altera.com/download/software/quartus-ii-we


53

Nios II/f (fast): Esta versión es diseñada para alto rendimiento y utiliza memorias caché, unidad de manejo de memoria (MMU), para incrementar su desempeño.

Nios II/s (standard): Esta versión contiene la unidad aritmético lógica (ALU) y busca combinar rendimiento y consumo.

Nios II/e (economy): Versión que requiere menos recursos lógicos y carece de operaciones aritméticas.

Se trabaja con la versión Nios II/s (con más elementos lógicos para trabajar), para realizar el manejo de la información proveniente de los sensores, transmisores y el almacenamiento de los datos recolectados en la tarjeta SD. Se trabaja con esta versión II/s debido que el proyecto es mucho más complejo y se utiliza la ALU para realizar operaciones aritméticas.

Figura 42. Procesador Nios II

Fuente [8]

Se realizó el programa en lenguaje C por medio de la herramienta Nios II. El programa integra los siguientes componentes.

3.2.1 Software del Transmisor de Temperatura y Humedad

Este software maneja los estados de tiempo del transmisor de temperatura y humedad. Por medio de una secuencia de niveles altos y bajos de los pines SCK y DATA del sensor, se inicia la transmisión de datos como se muestra en la Figura 43.


54

Figura 43. Transmisión de Inicio

Fuente [36]

Luego de la secuencia de inicio se envía al sensor la medida que se desea realizar, por medio de un comando enviado por el pin de datos bidireccional (Ver Tabla 7).

Tabla 7. Lisa de Comandos SHT1x

Comando Código

Medida de Temperatura 00011

Medida de Humedad Relativa 00101

Leer en el Status Register 00111

Escritura en el Status Register 00110 Fuente [36]

Luego de realizar la petición de la medida correspondiente se procede a realizar su lectura y su posterior cálculo mediante las ecuaciones dadas por su hoja de datos.

Ec. 7

Para compensar la no-linealidad del sensor y obtener una buena precisión, es recomendable realizar la formula (RH – Humedad Relativa) mostrada en la Ecuación 7 donde , y varían de acuerdo a los bits que se manejen, 12bit u 8bit y . Para temperaturas significativamente diferentes de 25°C la señal de Humedad Relativa requiere de una compensación de temperatura ( ) mostrada en la Ecuación 8.

( ) ( ) Ec. 8 De acuerdo a los bits utilizados, ya sea 12bit u 8bit varían los valores de y de .

Ec. 9


55

(T= Temperatura) y dependen de los bits utilizados 12bits o 14bits y el voltaje suministrado (2.5V, 3V, 3.5V, 4V y 5V). La señal de salida del transmisor es . El algoritmo (Diagrama de Flujo) llevado para ejecutar la comunicación y entrega

de datos del sensor, es el siguiente:


56

Algoritmo 1. Temperatura y Humedad


57

El algoritmo secuencial de Temperatura y Humedad, utiliza inicialmente la principal función “sht_init()” la cual pertenece al “main” y esta función es la encargada de realizar un “comreset()” para resetear el transmisor a medida que se va tomando las mediciones. Seguido de este se inicia la comunicación con el transmisor ejecutando la función “comstart()”. En esta función se ejecuta la transmisión de inicio mostrada en la Figura 47. Seguidamente la función “sht_rd()” es la encargada de obtener las medidas de temperatura y humedad y realizar cálculos para una mejor precisión en la medidas. En este proyecto se trabaja inicialmente tomando la medida de temperatura “measuretemp()” y luego la medida de humedad “measurehumid()”. Cada una de estas ejecuta las mismas funciones, como lo son la transmisión de inicio “comstart()”, luego se envía al transmisor el código que corresponde a la temperatura o la humedad (ver Tabla 7) con la función “comwrite()”. El transmisor necesita un tiempo de espera para procesar los datos de 20ms (según el fabricante) y esto se realizó con la función “comwait()”. Al pasar este tiempo el transmisor ya tendrá listo el valor adquirido y para poderla leer se utiliza la función “comread()”, esta se encarga de enviar el código de lectura (ver Tabla 7) y luego lee los Bits más significativos entregados por el transmisor y luego los Bits menos significativos. Luego de realizar estos pasos se obtiene el valor de la temperatura ( ) o la humedad ( ), y se llama a la función “calculate_data()” la cual implementa las Ecuaciónes 7,8 y 9. Realizados estos pasos secuenciales se obtiene los valores reales de la Temperatura y Humedad del transmisor SHT15.

3.2.2 Software del Sensor de Velocidad y Dirección del Viento Este software realiza la conversión de los pulsos entregados por parte del anemómetro los cuales son convertidos y transformarlos a unidades de velocidad (m/s), y la conversión del código gray entregado por el Encoder Absoluto de 4bits que permite saber la posición de la dirección del viento. Para poder interpretarlo según las 8 posiciones de dirección las cuales son:

Tabla 8. Código Secuencias de Dirección

Dirección Secuencia 1 Secuencia 2

Norte 0111 (7) 0101 (5)

NorOriente 1101 (13) 1111 (15)

Oriente 1011 (11) 1001 (9)


58

SurOriente 1000 (8) 1010 (10)

Sur 11110 (14) 1100 (12)

SurOccidente 0100 (4) 0110 (6)

Occidente 0010 (2) 0000 (0)

NorOccidente 0001 (1) 0011 (3)

Para cada dirección existen dos secuencias que ayudan a la precisión de la medida, ya sea que la veleta índice la secuencia 1 o la secuencia 2 respectivamente. El algoritmo de la velocidad y dirección del viento es el siguiente:


59

Algoritmo 2. Velocidad y Dirección del Viento

Con la instrucción “iord_altera_avalon_pio_data()” se lee el puerto de entrada en la FPGA, la cual se conecta a la salida del sensor de velocidad. Luego se pregunta si el puerto se encuentra activado o no, dado el caso de que no esté activado aún, este tendrá 3 oportunidades de activarse o cambiar de estado. Si se completan estos 3 chequeos y no se activa el anemómetro, nos indicará que no se está moviendo y este resultado se interpretará como no existencia de vientos en la zona o que los vientos son muy bajos (por debajo de 1m/s). Si el anemómetro se encuentra activo, inicia el conteo de tiempo “temp()” hasta que el anemómetro se


60

desactive (dio una vuelta). El tiempo que dura en dar una vuelta se utiliza para realizar el cálculo de la velocidad con la función “calc()” dado en m/s. Luego de realizarse el cálculo de la velocidad del viento, se calcula la dirección por medio de los 4 bits de información entregados por el encoder absoluto. De acuerdo a esto se procede a preguntar la posición en que se encuentra la veleta según la dirección del viento. Dando como resultado uno de los 8 puntos tomados en el algoritmo (Norte, Nororiente, Oriente, SurOriente, Sur, SurOriente, Occidente, NorOccidente).

3.2.3 Software del Almacenamiento en la Memoria SD La Función del almacenamiento que maneja el slot de memorias SD, permite almacenar los datos que son entregados periódicamente por los sensores y transmisores del proyecto. El almacenamiento de los datos se realizó por medio de la una tarjeta SD de capacidad 2GB en formato FAT16. Se puede trabajar con memorias de esta capacidad (o menores) ya que el kit de desarrollo recibe como máximo 2GB de memoria. En la siguiente tabla veremos una aproximación de la capacidad ocupada de memoria utilizada en la adquisición de datos del proyecto (muestras tomadas cada 20 minutos por 34 hrs).

Tabla 9. Capacidad Ocupada en Memoria

Días Capacidad

1 2k

Predicción

365 730k

730 1460k

1825 3650k

Se debe tener en cuenta anotar la hora de inicio del programa ya que a partir de

este instante lo datos serán almacenados secuencialmente en un archivo plano de

texto (.txt) en un intervalo de tiempo ajustado por el usuario tal como se muestra

en la Figura 44. Se debe de tener en cuenta retirar la tarjeta SD cuando el

programa finalice y no interrumpir su ejecución, para que los datos queden bien

almacenados y no se pierda el trabajo realizado.


61

Figura 44. Formato Datos

El Algoritmo de ejecución del almacenamiento en la tarjeta SD es el siguiente:


62

Algoritmo 3. Tarjeta SD

En el Algoritmo de la Tarjeta SD, se encuentra como primera instancia la

comprobación de ingreso de la tarjeta SD, la cual se realiza con la función


63

“alt_up_sd_card_is_present()”. Seguidamente se consulta, si la tarjeta SD tiene el

formato que requiere la FPGA para poder ser leída (Formato FAT16) por medio del

comando “alt_up_sd_card_is_FAT16()”. Si el formato es correcto se crea un

archivo con formato de lectura (ej. “.txt”, “.csv”, según el usuario) con la función

“alt_up_sd_card_fopen()”, al cual se le ingresa el nombre de acuerdo a cada

variable que se trabaja en el proyecto. Luego se escribe en cada archivo creado los

datos entregados por las funciones “Temp_Hum()” y “VelDirecc()” por medio de la

función “alt_up_sd_card_write()”. “alt_up_sd_card_get_attributes()” nos retorna

un valor “-1” si hubo errores o “0” si el almacenamiento tuvo éxito. Luego de

haberse creado el archivo y escrito en él, es debido y es necesario volver a cerrar el

archivo, si no vamos a escribir más en él, y esto lo realizamos mediante la función

“alt_up_sd_card_fclose()”. Si no se cierra el archivo, los datos no serán guardados.

3.2.4 Software del Módulo GSM El manejo del estado de alarmas que comprende el dispositivo en caso de una mala medición o falla en el sistema, lo lleva a cabo el Módulo GSM M95. Las alarmas programadas y enviadas por mensaje de texto son:

o “Obstrucción del anemómetro” Se genera cuando el anemómetro no

registra ninguna velocidad en un intervalo de 3 horas desde la última medida.

o “Obstrucción de la Veleta” Se genera cuando la veleta no entrega ningún

dato de cambio de posición en un intervalo de 3 horas desde la última medida.

o “Cambio Drástico en la Temperatura” Se genera al obtener una medida de

temperatura que no se encuentra en los rangos establecidos (-20°C a +70°C).

Estas alarmas al ser activadas, finalizan el programa hasta que el usuario verifique el problema y lo resuelva. El algoritmo de envío del mensaje utilizado es el siguiente:


64

Algoritmo 4. Módulo GSM

Cada alarma tiene un código para diferenciar entre los 3 mensajes que se envían al módulo. Al activarse la alarma, se genera el código correspondiente y este código es utilizado a la hora de enviar el mensaje. El Módulo GSM se activa por medio del PWERKEY (Pin de entrada), teniendo en cuenta que este pin se encuentra en activo alto. Luego de su activación se procede a configurar el módulo en modo texto por medio del comando “at+cmgf=1”. Con el comando “at+cmgs()” se ingresa el número de teléfono al cual deseamos enviar el mensaje y le damos enviar mensaje igualando este comando a uno “at+cmgs=1”.


65

4. PRUEBAS Y RESULTADOS

4.1 MUESTRAS IN SITU El dispositivo se emplazó en la Ciudad de Cartago (seleccionado por disponibilidad del sitio y monitoreo constante y seguro del dispositivo), ubicado estratégicamente para que el viento provenga de todas las direcciones, sin obstáculos alrededor para llevar a cabo una buena medición. La calibración del dispositivo se encuentra explicada en el ANEXO 2.

Fotografía 3. Medidor Proyecto

Las muestras se realizaron cada 20 minutos durante 34 horas, iniciando el 17 de Noviembre del 2012 a las 9:20 hasta el 18 de Noviembre del 2012 a las 19:00, dando como resultado 102 datos adquiridos. Se determina este lapso de tiempo teniendo en cuenta varios conceptos:

Cuidado del Kit de Desarrollo. Ya que entre más tiempo conectado puede ocurrir un sobrecalentamiento u otro factor el cual pueda dañar este dispositivo.

Lapso de 20 minutos, debido a que la intensidad del viento no es constante y si se opta por menos tiempo se obtienen muchos datos con un mismo valor de velocidad.

En el ANEXO 3, se encuentra la Tabla 17 donde observan los datos de la temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento.


66

La gráfica de Temperatura es la siguiente:

Gráfica 5. Temperatura Medidor Proyecto

En la gráfica se observa una temperatura máxima de 26°C y un mínimo de 16°C, con un promedio de 20,53°C. Este rango alcanzado es viable para las especificaciones de muchos dispositivos electrónicos y mecánicos, por lo cual la zona medida es apta para un generador micro-eólico, ya que este puede estar diseñado con elementos sensibles a bajas o altas temperaturas.

Gráfica 6. Humedad Relativa Proyecto

0

5

10

15

20

25

30

09

:20

10

:40

12

:00

13

:20

14

:40

16

:00

17

:20

18

:40

20

:00

21

:20

22

:40

00

:00

01

:20

02

:40

04

:00

05

:20

06

:40

08

:00

09

:20

10

:40

12

:00

13

:20

14

:40

16

:00

17

:20

18

:40

Temperatura (°C)

54

55

56

57

58

59

60

61

09

:20

10

:40

12

:00

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:20

14

:40

16

:00

17

:20

18

:40

20

:00

21

:20

22

:40

00

:00

01

:20

02

:40

04

:00

05

:20

06

:40

08

:00

09

:20

10

:40

12

:00

13

:20

14

:40

16

:00

17

:20

18

:40

Humedad Relativa (%)


67

La humedad relativa promedio es de 57%, con valores máximos de 60% y mínimos del 56%. Esta densidad del aire debe de ser tomada muy en cuenta a la hora de realizar una instalación de un generador, ya que a más altura (tomada sobre el nivel del mar), la densidad del aire disminuye dando mayor libertad de movimiento a las aspas del generador.

Gráfica 7. Velocidad del Viento Proyecto

En la Gráfica 7, se observa el comportamiento que tuvo el anemómetro durante su periodo de muestreo. En el sector se presentan bajas velocidades del viento teniendo en cuenta las 34 horas de medida, lo cual lo hace un sector pobre para la instalación de generadores micro-eólicos ya que por lo general estos entran en funcionamiento con velocidades mínimas de 3m/s. En la Gráfica 7, se observa la frecuencia del viento según la dirección. El nombre de este tipo de gráficas en el campo de la meteorología se denomina “”Rosa de los Vientos”.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

09

:20

10

:40

12

:00

13

:20

14

:40

16

:00

17

:20

18

:40

20

:00

21

:20

22

:40

00

:00

01

:20

02

:40

04

:00

05

:20

06

:40

08

:00

09

:20

10

:40

12

:00

13

:20

14

:40

16

:00

17

:20

18

:40

Velocidad del Viento (m/s)


68

Gráfica 8. Rosa de los Vientos

Se puede observar la intensidad del viento máximo fue proveniente del Oriente y SurOriente, y con bajas frecuencias en el Sur, SurOccidente y Occidente de la Ciudad, teniendo como unidad de medida metros por segundo. Con este resultado, el usuario puede determinar la dirección en que se debe de direccionar el aerogenerador (Oriente y SurOriente), y así poder sacarle el mejor provecho en generación de energía. Para realizar una comparativa con los datos adquiridos por el medidor de viento, se recurrió a los datos históricos de la estación meteorológica del “Aeropuerto Internacional Matecaña de Pereira14” por los días 17 y 18 de Noviembre del 2012, ya que en esos días el medidor del proyecto estuvo en funcionamiento (Ver Tabla de Datos ANEXO 3). Esta estación meteorológica es la más cercana del lugar de emplazamiento del medidor y la que presenta los datos más confiables para realizar su estudio.

14

http://rp5.co/Archivo_de_tiempo_en_Pereira_(aeropuerto),_METAR

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4Norte

NorOccidente

Occidente

SurOccidente

Sur

SurOriente

Oriente

NorOriente

Rosa de los Vientos

http://rp5.co/Archivo_de_tiempo_en_Pereira_(aeropuerto),_METAR


69

Los datos que obtiene esta estación meteorológica son de un intervalo de una hora por muestra desde las 5:00 hasta las 00:00 del día siguiente. El intervalo de hora la cual se realizará la comparación es desde las 9:00 hasta las 19:00 del día siguiente. La gráfica de temperatura de la estación meteorológica es la siguiente:

Gráfica 9. Temperatura Estación Meteorológica

Presenta temperaturas máximas de 24°C y mínimas de 18°C y el medidor del proyecto registró temperaturas máximas de 26°C y mínimas de 16°C.

Gráfica 10. Humedad Relativa Estación Meteorológica

0

5

10

15

20

25

30

Temperatura Estación Met. (°C)

0

20

40

60

80

100

120

Humedad Relativa Estación Met. (%)


70

En la Gráfica 10 se observa la humedad relativa medida por la estación meteorológica, presentando valores máximos de humedad del 100% y mínimos del 69% y el medidor presentó valores máximos del 60% y mínimos del 56%.

Gráfica 11. Velocidad del Viento Estación Meteorológica

Se observa en la Gráfica 11 velocidades máximas de 2m/s con un tiempo más prolongado de aproximadamente 3 horas por lo cual el medidor diseñado solo presentó velocidades de 2m/s por una hora como máximo y obtuvo dos picos de velocidades máximas de 3m/s. Tabla 10. Valores Promedio Medidor y Estación Meteorológica

MEDIDOR ESTACIÓN MET. ERROR

TEMP/PROM (°C) 20,53921569 21,58064 4,82%

HUM/PROM (%) 57,92156863 82,87096 30,10%

VEL/PROM (m/s) 0,715686275 1,3225806 45,88%

En la Tabla 10 se observa los valores promedios de la temperatura, humedad y velocidad del viento del medidor y la estación meteorológica del aeropuerto (Disponible en el ANEXO 3).

( )

Ec. 10

0

0,5

1

1,5

2

2,5

Velocidad del Viento Estación Met. (m/s)


71

De acuerdo a estos promedios se calcula el error que existe entre las medidas y se observa que el error más grande que se generó fue en la medición de Velocidad del Viento, pero también se debe tener en cuenta la ubicación del lugar de adquisición de las muestras ya que ese día en la ciudad de Pereira se presentaron lloviznas considerables según los reportes de los datos de la estación meteorológica del aeropuerto Matecaña y en el municipio de Cartago no se presentó este fenómeno alterando así la comparación de los datos. Para obtener más resultados del medidor y la estación meteorológica se realizó una segunda, tercera y cuarta toma de datos los días 1,2 y 3 de Abril del 2013. (Ver ANEXO 3 para la Tabla de Datos 2,3 y 4)

Gráfica 12. Datos2-Temperatura

En la Gráfica 12 se observa la comparación de la temperatura medida de la estación meteorológica ubicada en el aeropuerto de Pereira y el medidor situado en Cartago valle. Esta gráfica presenta valores máximos del medidor de 35°C y 28°C de la estación y valores mínimos de 22°C para el medidor y 21°C para la estación. Estos datos tomados presentan un porcentaje de error bajo de 19,8%.

15

20

25

30

35

40

D2. Temperatura (°C)

Medidor

Estación


72

Gráfica 13. Datos2-Humedad Relativa

Se observa en la Gráfica 13 valores de humedad relativa máximos en la estación meteorológica de 88% y valores más estables para el medidor de 62% de humedad debido a los pocos cambios climáticos que se presentaron.

Gráfica 14. Datos2-Velocidad del Viento

La velocidad del viento entre el medidor y la estación presentan mucha diferencia de velocidades, esto se debe a que el medidor se encuentra ubicado a una altura aproximada de unos 7 metros mientras que la estación meteorológica se encuentra a una altura de 12 metros sobre la superficie de la tierra.

505356596265687174778083868992

D2. Humedad Relativa (%)

Medidor

Estación

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

D2. Velocidad del Viento (m/s)

Medidor

Estación


73

Gráfica 15. Datos 3-Temperatura

En la Gráfica 15 se observa las temperaturas adquiridas por la estación y el medidor, las cuales presentan un comportamiento similar y de acuerdo a la Tabla 16 (ANEXO 3) el porcentaje de error de las dos medidas es bajo.

Gráfica 16. Datos 3-Humedad Relativa

La humedad relativa mostrada en la Gráfica 16 de las dos muestras adquiridas presentan una gran diferencia llegando a un porcentaje de humedad del 88% por parte de la estación meteorológica y un 62% del medidor.

15

20

25

30

35


Medidor

Estación

505560657075808590


Medidor

Estación


74

Gráfica 17. Datos 3-Velocidad del Viento

En la Gráfica 16 se muestran las medidas de la velocidad del viento, presentándose así una diferencia de valores entre la estación y el medidor debido a que la velocidad mayor adquirida por el medidor fue de 1m/s y de 3m/s por parte de la estación meteorológica. Esta diferencia principalmente es reflejada por la altura de la estación y el medidor.

Gráfica 18. Datos 4-Temperatura

La temperatura en los últimos datos tomados (Datos 4) presentan un comportamiento similar con un porcentaje de error bajo según se observa en la Tabla 17.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5


Medidor

Estación

15

17

19

21

23

25

27

29


Medidor

Estación


75

Gráfica 19. Datos 4-Humedad Relativa

La humedad relativa de la Gráfica 19 presenta grandes cambios a partir de las 17:00 horas por parte de la estación meteorológica la cual pudo haber cambiado a fenómenos atmosféricos presentados en el sitio y a la altura en que se encuentra ubicada la ciudad de Pereira sobre el nivel del mar.

Gráfica 20. Datos 4-Velocidad del Viento

Los diferentes cambios de velocidades entre la estación y el medidor mostrados en la Gráfica 20 se deben a la altura del medidor y a variables que pueden disminuir la velocidad del viento como por ejemplo edificios cercanos que se encuentran ubicados en alturas superiores al medidor.

50

55

60

65

70

75

80

85


Medidor

Estación

0

0,5

1

1,5

2

2,5


Medidor

Estación


76

4.2 MEDICIÓN DEL POTENCIAL MICRO-EÓLICO Si el usuario desea instalar (por ejemplo) un generador como el que se muestra en la Figura 45, debemos tener en cuenta sus especificaciones mínimas de funcionamiento:

Figura 45. Aerogenerador Pawicon 2500

Fuente [24]

Velocidad mínima de funcionamiento: 2,8m/s Velocidad del viento nominal: 11m/s Velocidad máxima (Protección): 19m/s Con estas especificaciones de velocidades se observa que el lugar de emplazamiento en que se realizaron las muestras no es el adecuado, debido a que no alcanza con los requerimientos mínimos de funcionamiento (despreciando los dos picos de velocidades que se presentaron de 3m/s) que necesita el aerogenerador. Este aerogenerador genera una potencia nominal de 2500W con vientos de 11m/s, de acuerdo a esta especificación teniendo en cuenta un promedio de las velocidades máximas y mínimas del este las muestras que se desearían encontrar seria por lo menos de 8m/s para sacarle un buen provecho al aerogenerador [24]. La variable de dirección del viento es importante debido a que con esta se orientará el aerogenerador para que enfrente los vientos más concurridos


77

provenientes de esa dirección (en nuestro caso los mayores vientos fueron provenientes del Oriente y Suroriente). Para determinar el potencial eólico que nos genera el lugar en que fue ubicado el medidor de viento, se debe tener en cuenta la Ecuación 2 vista en la sección 2.1.4:

Ec.2

Densidad: 1,1962kg/m315 con temperatura de 20,53°C, humedad relativa de 57% y presión atmosférica de 1013,3 hPa. Velocidad promedio: 0,7156m/s Radio de las aspas: 1,75m (según fabricante del aerogenerador)

( ) ( )

El potencial micro-eólico que se genera en esta zona es de 2,10W por 34 horas (la cual fue el tiempo de funcionamiento del medidor). Si se remplaza la velocidad promedio por 8m/s el Potencial micro-eólico es:

Por lo cual el aerogenerador funcionaría a la perfección con este promedio de velocidad. Con la adquisición de los valores de la temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento se calculó satisfactoriamente el potencial micro-eólico en el sector.

4.3 PRUEBAS GSM Al realizar las pruebas del GSM se simularon los valores de la temperatura, velocidad y dirección del viento para poder lograr activar los estados de alarma.

15

http://www.dolzhnos.com.ar/htm/densidad_del_aire.htm

http://www.dolzhnos.com.ar/htm/densidad_del_aire.htm


78

En la Figura 46, se muestra la consola de la herramienta Nios II al haber ejecutado el programa simulando la obstrucción de la veleta con 10 muestras iguales cada 10 segundos (simulando dirección Norte correspondiente al código 0111 (7) ).

Figura 46. Simulación obstrucción de la veleta

Luego de haberse activado la alarma de obstrucción de la veleta, seguidamente se activa el módulo GSM enviando el mensaje de texto programado al número de celular indicado tal como lo muestra la Fotografía 4.

Fotografía 4. Mensaje Obstrucción de la Veleta

Los 10 datos de la muestra de la dirección del viento (con el código 7) son mostrados en la Figura 47.


79

Figura 47. Datos ensayo dirección del viento

Para la simulación de la obstrucción del anemómetro se tomó igualmente 10 datos iguales cada uno con 10 segundos de diferencia (marcando velocidad 0m/s).

Figura 48. Simulación Obstrucción del Anemómetro

En la Figura 47 se observa la simulación de la alarma activada por registrar 10 muestras con velocidad de 0m/s, por lo cual se genera la señal al módulo GSM enviando el mensaje de texto correspondiente como lo muestra la Fotografía 5.


80

Fotografía 5. Mensaje Obstrucción del Anemómetro

Los 10 datos generados por la muestra de la obstrucción del anemómetro almacenando así con una velocidad nula se observa en la Figura 49.

Figura 49. Datos ensayo obstrucción del anemómetro

La activación de la alarma del cambio drástico en la temperatura, se generó simulando una temperatura de 80°C la cual supera la temperatura máxima soportada por el sensor. En la Figura 48, se observa la simulación en el programa al ser detectado una señal de temperatura por fuera de los rangos permitidos, y en la Fotografía 6 se observa


81

el mensaje recibido al ser activado previamente el módulo GSM por la ocurrencia de este evento.

Figura 50. Simulación Cambio Drástico en la Temperatura

Fotografía 6. Mensaje Cambio Drástico en la Temperatura

Con estas alarmas el usuario puede estar al tanto del estado del medidor y que las variables que se están almacenado sean correctas para poder analizar el potencial micro-eólico que tiene el sector que se está analizando. En el mercado existen diferentes dispositivos de medición como por ejemplo el Registrador de Viento de serie PCE-WL2 [31] hablado en el capítulo 2.2.2, el cual tiene un costo aproximado de 2 millones de pesos colombianos. El dispositivo del presente


82

proyecto puede tener un costo neto aproximado en pesos colombianos (teniendo en cuenta la utilización de CPLDs) de: Sensor Anemómetro y veleta ($100.000), Transmisor Temperatura Humedad ($120.000), Módem GSM ($90.000) y CPLD ($90.000) para un total de 400.000 pesos.


83

5. CONCLUSIONES Y TRABAJO A FUTURO

5.1 CONCLUSIONES

Se diseñó e implementó un sistema de procesamiento y extracción de datos que permite al usuario determinar el potencial micro-eólico utilizando las variables de temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento en un sector determinado. Se determina que con el uso del Kits de Desarrollos como sistemas de procesamiento de datos, facilita el desarrollo de prototipos que involucran Procesadores, puertos E/S, memorias flash, push buttom, almacenamiento en tarjeta SD, etc. Utilizando este método y no por medio de componentes físicos de montaje superficial como PICs, debido a su estudio en el transcurso de la carrera y facilitando al estudiante agilidad a la hora de reprogramar y simular el programa. Se determinó según los datos recolectados de la estación meteorológica y el medidor del proyecto que los valores obtenidos de velocidad del viento no concuerdan y tienen gran porcentaje de error, debido a que se debe tener en cuenta la altura en que los dispositivos de medición se encuentran ubicados, y las condiciones meteorológicas a las que se encuentran enfrentados pueden ser diferentes en cada uno de los puntos de medición De acuerdo a los resultados obtenidos en el medidor y la información adquirida por la estación meteorológica, se comprueba que los valores de velocidad del viento presentaron porcentajes de error muy grandes debido a que se pueden presentar fenómenos meteorológicos con diferentes velocidades de viento en los dos puntos de medición (ejemplo: ráfagas de viento), tanto la estación meteorológica en la Cuidad de Pereira como el Medidor en la Ciudad de Cartago Valle. Se concluye que el dispositivo de medición construido en este proyecto presenta valores de mediciones fiables debido a que se realizaron pruebas de patronaje de la temperatura, humedad y velocidad del viento por medio de un dispositivo Patrón debidamente certificado (ANEXO 2). Con base a las pruebas realizadas con el prototipo construido, se determinó que la información entregada puede ser utilizada no solo en el área del cálculo del potencial micro-eólico, sino también en cualquier área que necesite información meteorológica en el sector que se encuentre instalado el prototipo.


84

Aunque el sistema ayuda al desarrollo de prototipos, se debe tener en cuenta las licencias del software utilizado. Dado el caso en que se contara con la licencia del producto, no se tendría que dejar conectado el Kit de desarrollo a un computador. Se diseñó e implementó el sistema de transmisión de alarmas vía comunicación celular (GSM). El cual es de suprema importancia en un proceso de valoración del potencial micro-eólico de una zona, ya que garantiza al usuario ser alertado de la ocurrencia de algún problema con del dispositivo. Se concluye que el almacenamiento de datos se debe realizar en memorias de buena capacidad, las cuales permiten al usuario un mejor manejo posterior de la información y facilita el almacenamiento de múltiples variables en periodos prolongados de tiempo. 5.2 TRABAJO A FUTURO Paso del diseño del proyecto a una CPLD, la cual requiere aproximadamente el mismo número de elementos lógicos (EL) utilizados en el prototipo (21.373EL), y así tener un dispositivo más eficiente. En el prototipo se puede estudiar la cantidad de energía que consume, para así dimensionar un sistema de alimentación, ya sea por medio de baterías o llevándolo a un caso más avanzado y contemplando el cuidado del medio ambiente, instalar Paneles Solares para su abastecimiento. El reed switch que se maneja para los datos del anemómetro, puede ser remplazado por un sensor de efecto hall que tenga protección contra cortocircuito y que brinde mayor durabilidad y estabilidad a la hora de entregar los datos. El almacenamiento de datos de las variables puede ser cambiada al formato csv (comma separated values) para una mejor lectura y estudio de las variables. Se pueden realizar mejoras generales de software, tales como extraer la tarjeta SD

automáticamente sin detener el programa o realizar el borrado de datos de esta

directamente por software.


85

6. BIBLIOGRAFÍA

[1] «Alstom Power,» [En línea]. Available: http://www.alstom.com/power/. [Último acceso: 16 9 2012].

[2] A. Betz, La Energía Eólica y su Aprovechamiento Mediante Molinos de Viento, Göttingen: Vandenhoeck &

Ruprecht, 1926.

[3] A. Brusa y E. Guarnone, «Confederación de Consumidores y Usuarios,» Proyectos RES & RUE Dissemination,

2007. [En línea]. Available:

http://www.cecu.es/campanas/medio%20ambiente/res&rue/htm/dossier/1%20eolica.htm#4.1.

[Último acceso: 19 9 2012].

[4] A. Creus Solé, Instrumentación Industrial, Barcelona: Marcombo S.A., 1997.

[5] A. Fonte Hernández, R. E. Rivero Vega y R. R. Rivero Jaspe, «Escenarios de Cambio Clmático para la Energía

Solar y Eólica durante el siglo XXI,» Centro Meteorológico de Camaguey, 2002.

[6] A. R. Castro Lechtaler y R. J. Fusario, Teleinformática para Ingenieros en Sistemas de Información, Barcelona:

Reverté, S.A., 1999.

[7] ADES, «ADES Aplicaciones de Energías Sustitutivas,» 5 2010. [En línea]. Available:

http://www.ades.tv/es/idi/proyectos/proyecto-nazareth-la-guajira-colombiana/id/30.


[8] ALTERA, «ALTERA CORPORATION,» [En línea]. Available:

http://www.altera.com/education/univ/materials/boards/de2/unv-de2-board.html.


[9] ARISTA, «ARISTA power Making Power Work For You,» [En línea]. Available: http://aristapower.com/.


[10] Aulaclic, Curso de Internet por aulaClic, Valencia: aulaclic.

[11] Aurora, «Aurora Mobile Technologies,» [En línea]. Available:

http://www.auroramobile.ru/content/files/pdf/queltec/m95_gsm_module_presentation_20120113.pdf.


86


[12] B. Bailey, «AWS True Power Ciencia al Servicio de la Eficiencia,» [En línea]. Available:

http://www.awstruepower.com/es/sharp-campaign-1/. [Último acceso: 16 9 2012].

[13] C. D. Stufano, «Universidad de Zulia,» [En línea]. Available:

http://www.ica.luz.ve/cstufano/CursoDeRedes/Wirelessdoc.pdf. [Último acceso: 25 9 2012].

[14] C. M. Figueredo y O. H. Sánchez, «RedSolar - CubaSolar,» 6 2008. [En línea]. Available:

http://www.cubasolar.cu/biblioteca/ecosolar.htm. [Último acceso: 21 9 2012].

[15] D. Electrónica, «Duran Electrónica Detección de Gases,» [En línea]. Available:

http://www.duranelectronica.com/docs/52_1570_E-fichanemultrasonico-v01.pdf.


[16] D. Lara Rodrígez, Sistemas Inalámbricos de Comunicación Personal, D. Muñoz Rodriguez, Ed., México:

Marcombo, 2002.

[17] ESMAP, «Review of Policy Framework for Increased Reliance on Wind Energy in Colombia,» 26 Enero 2010.

[En línea].

Available: http://www.esmap.org/esmap/taxonomy/term/52. [Último acceso: 11 Septiembre 2012].

[18] FECYT, Meteorología y Climatología, Madrid: Fundación Española para la Ciencia y Tecnología, 2004.

[19] G. Lanza Espino, C. Cáceres Martinez, S. Adame Martinez y S. Hernández Pulido, Diccionario de

Hidrología y Ciencias Afines, PLAZA Y VALDES EDITORES, 1999.

[20] H. M. Diaz, «Galeón,» [En línea]. Available: http://www.galeon.com/hamd/pdf/scada.pdf.


[21] J. Schweize y C. Melzer, «Ammonit Measurement,» 8 11 1989. [En línea]. Available:

http://www.ammonit.com/. [Último acceso: 12 9 2012].

[22] J. Schweize y C. Melzer, «Ammonit Measurement,» 8 11 1989. [En línea]. Available:

http://www.ammonit.com/es/informacion-eolica/mediciones-de-viento. [Último acceso: 13 9 2012].

[23] K. C. Laudon y J. P. Laudon, Sistemas de Información Gerencial, Octava Edición ed., Pearson Educación,


87

2004.

[24] L. A. Vesga, «Yotta,» 4 5 2012. [En línea]. Available:

http://www.yotta.com.ve/index.php/articulos/item/66-mediciones-de-humedad.


[25] L. C. Technology, «La Crosse Technology,» [En línea]. Available:

http://www.lacrossetechnology.com/1610/index.php#specs. [Último acceso: 30 9 2012].

[26] M. A. Hurtado Gomez, «Electrónica de Radiofrecuencia,» de Aspectos Básicos de la Teoria de Radio,

Cali, 2010.

[27] M. C. España Boquera, Servicios Avanzados de Telecomunicación, Madrid España: Ediciones Díaz

de Santos, 2003.

[28] M. M. Vallina, Instalaciones Solares Fotovoltaicas, 1° Edición ed., Madrid: Paraninfo S.A., 2010.

[29] P. Gil Vázquez, J. Pomares Baeza y F. Candelas Herias, Redes y Transmisión de Datos, España:

Universidad de Alicante, 2010.

[30] P. Gipe, Wind Power: Renewable Energy for Home, Farm, and Business, United States of Amercia:

Chelsea Green Publishing Company, 2004.

[31] P. Instruments, «PCE Ibérica S.L.,» [En línea]. Available:

http://www.pce-instruments.com/chile/instrumentos-de-medida/medidores/

registradores-de-datos-logic-energy-ltd.-registrado-de-viento-pce-wl-2-

det_242486.htm?_list=qr%2Eart&_listpos=1. [Último acceso: 21 9 2012].

[32] PARTZ, «PARTZ Elektromotoren,» [En línea]. Available:

http://www.partzsch.de/index.php?id=83&L=1. [Último acceso: 19 9 2012].

[33] PCE, «PCE Ibérica S.L.,» [En línea]. Available: http://www.pce-iberica.es/.


[34] S. Electrónica, «Sigma Electrónica Ltda,» [En línea]. Available: http://www.sigmaelectronica.net.


88


[35] Sensirion, «Sensirion The Sensor Company,» [En línea]. Available:

http://www.sensirion.com/en/home/. [Último acceso: 2 10 2012].

[36] SensirionC, «Sensirion The Sensor Company,» [En línea]. Available:

http://www.sensirion.com/en/products/humidity-temperature/humidity-sensor-sht11/.


[37] Venger, «Venger Wind,» [En línea]. Available: http://vengerwind.com/index.html.


[38] W. E. Market, «Wind Energy Market The International Industry and Technology Portal,» [En línea].

Available: http://www.wind-energy-market.com/en/wind-turbines/big-plants/details/details/bp/e-82-e3-4/.


[39] W. E. MARKET, «Wind Energy Market The International Industry and Technology Portal,» [En línea].

Available: http://www.wind-energy-market.com/en/small-wind-turbines/small-wind-energy-definitions/.


[40] X. Muñoz Bellvehí, I. Herreros Margarit y J. M. Nolla Puertas, Manual Práctico Derecho de las

Telecomunicaciones, Madrid: Derecho.com, 2006.

[41] Zeilan, «Zeilan S. A.,» [En línea]. Available:

http://www.zelian.com.ar/index.php/ficha/deltaohm/anemometros/OHM-00055.html.



89

ANEXOS


90

ANEXO 1. CÁLCULO DEL PUNTO DE ROCÍO-TRANSMISOR SHT15

(DATASHEET)


91

Para calcular el Punto de Rocío (Temperatura en la cual el vapor de agua comienza a

condensarse), se utiliza varias fórmulas para un rango de temperatura de -40°C a 50°C:

( ) (

)

(

)

Ec. 9

Tabla 11. Parámetros por calcular el Punto de Rocío

Rango de Temperatura Tn(°C) m

0 a 50°C 243.12 17.62 -40 a 0°C 272.62 22.46

Fuente [35]


92

ANEXO 2. TABLAS DE CALIBRACIÓN


93

CALIBRACIÓN TEMPERATURA Y HUMEDAD

Para patronar el transmisor de temperatura y humedad se utilizó el anemómetro de bolsillo “WM-4” de la empresa “Ambient Weather16” el cual se encuentra certificado y provee las medidas de velocidad del viento en diferentes unidades, temperatura actual (°F o °C), Humedad Relativa (%RH). En la Tabla 12 se muestran las medidas para la calibración:

Tabla 12. Calibración Temperatura y Humedad

No. de Medidas

Dispositivo Patrón (%HR)

Dispositivo a Calibrar (%HR)

Dispositivo Patrón (°C)

Dispositivo a Calibrar (°C)

1 60.4 61 27.6 28

2 60.8 61 27.9 29

3 61.2 61 31.8 31

4 61.6 61 33.5 33

5 61.8 62 35.2 34

6 62.5 62 36.0 37

7 62.6 62 37.4 38

8 63.0 62 38.3 39

9 63.6 62 39.6 40

10 64.4 63 42.3 43

11 64.9 63 42.7 43

12 65.3 63 43.6 44

13 65.7 64 44.8 45

% de Error 1.3% 0.7%

Se observan muy bajos porcentajes de error en la Humedad Relativa y la Temperatura dando como resultado una buena calibración.

CALIBRACIÓN VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DEL VIENTO

El sensor de velocidad se patronó con el mismo dispositivo “WM-4” teniendo en cuenta las unidades de velocidad que se utiliza en el proyecto (m/s). La dirección

16

http://www.ambientweather.com/amwm4.html


94

del viento se patronó con las indicaciones de una brújula magnética, posicionando el dispositivo con esta referencia (Norte, Sur, Oriente y Occidente). Las medidas de velocidad se observan en la Tabla 13.

Tabla 13. Calibración Velocidad del Viento

No. de Medidas Dispositivo Patrón (m/s) Dispositivo a Calibrar (m/s)

1 0.4 0

2 0.6 0

3 1.3 1

4 1.8 1

5 2.2 2

6 2.7 2

7 3.0 3

8 3.3 3

9 3.8 3

10 4.3 4

11 4.6 4

12 4.9 5

13 5.1 5

% de Error 13.3%

Se observa que el porcentaje de error es de 13.3% considerándolo un porcentaje

aceptable a la ahora de realizar mediciones.


95

ANEXO 3. DATOS DEL MEDIDOR Y ESTACIÓN METEOROLÓGICA DEL AEROPUERTO

MATECAÑA DE PEREIRA


96

Tabla 14. Datos 1 del Medidor

No. de Datos

Hora (24hrs)

Dirección

Temperatura (°C)

Humedad (%)

Velocidad (m/s)

1 09:20 4 SurOccidente 25 60 0

2 09:40 2 Occidente 25 60 1

3 10:00 8 SurOriente 25 60 0

4 10:20 2 Occidente 25 60 0

5 10:40 2 Occidente 24 59 0

6 11:00 2 Occidente 24 59 0




10 12:20 4 SurOccidente 22 59 1

11 12:40 2 Occidente 23 59 1

12 13:00 1 NorOccidente 21 58 1

13 13:20 7 Norte 21 58 2

14 13:40 13 NorOriente 21 58 2

15 14:00 7 Norte 21 58 2

16 14:20 13 NorOriente 21 58 2

17 14:40 13 NorOriente 20 58 2

18 15:00 7 Norte 20 58 1

19 15:20 7 Norte 20 58 1

20 15:40 1 NorOccidente 19 58 1

21 16:00 13 NorOriente 19 58 1

22 16:20 13 NorOriente 19 58 1

23 16:40 11 Oriente 20 58 2

24 17:00 11 Oriente 20 58 2

25 17:20 8 SurOriente 21 58 3

26 17:40 2 Occidente 19 58 1

27 18:00 2 Occidente 19 58 1

28 18:20 2 Occidente 18 56 1

29 18:40 11 Oriente 18 56 1

30 19:00 11 Oriente 19 58 2

31 19:20 11 Oriente 19 58 1

32 19:40 11 Oriente 19 58 1

33 20:00 11 Oriente 19 58 2

34 20:20 11 Oriente 19 58 1

35 20:40 11 Oriente 20 58 1


97

36 21:00 11 Oriente 20 58 2

37 21:20 11 Oriente 21 58 2

38 21:40 11 Oriente 21 58 1

39 22:00 11 Oriente 22 58 1

40 22:20 11 Oriente 23 59 1

41 22:40 11 Oriente 23 59 1

42 23:00 11 Oriente 23 59 2

43 23:20 11 Oriente 24 59 2

44 23:40 11 Oriente 24 59 1

45 00:00 11 Oriente 25 60 3

46 00:20 11 Oriente 25 60 2

47 00:40 11 Oriente 25 60 2

48 01:00 11 Oriente 25 60 1

49 01:20 11 Oriente 25 60 1

50 01:40 11 Oriente 26 60 1

51 02:00 11 Oriente 26 60 1

52 02:20 11 Oriente 25 60 1

53 02:40 11 Oriente 25 60 1

54 03:00 11 Oriente 25 60 0

55 03:20 11 Oriente 24 59 0

56 03:40 11 Oriente 22 59 0

57 04:00 11 Oriente 21 58 1

58 04:20 11 Oriente 19 58 1

59 04:40 11 Oriente 19 58 0

60 05:00 11 Oriente 17 56 1

61 05:20 11 Oriente 16 56 1

62 05:40 11 Oriente 16 56 0

63 06:00 11 Oriente 17 56 0

64 06:20 11 Oriente 17 56 0

65 06:40 11 Oriente 19 58 0

66 07:00 11 Oriente 19 58 0

67 07:20 11 Oriente 20 58 0

68 07:40 11 Oriente 21 58 0

69 08:00 11 Oriente 20 58 1

70 08:20 11 Oriente 21 58 1

71 08:40 11 Oriente 22 58 0

72 09:00 11 Oriente 21 58 0

73 09:20 11 Oriente 21 58 0


98

74 09:40 11 Oriente 22 58 0

75 10:00 11 Oriente 22 58 0

76 10:20 11 Oriente 21 58 0

77 10:40 11 Oriente 21 58 0

78 11:00 11 Oriente 20 58 0

79 11:20 11 Oriente 20 58 0

80 11:40 11 Oriente 20 58 0

81 12:00 11 Oriente 19 58 0

82 12:20 11 Oriente 19 58 0

83 12:40 11 Oriente 19 58 0

84 13:00 11 Oriente 19 58 0

85 13:20 11 Oriente 18 56 0

86 13:40 13 NorOriente 18 56 0

87 14:00 13 NorOriente 18 56 0

88 14:20 13 NorOriente 18 56 1

89 14:40 13 NorOriente 18 56 0

90 15:00 13 NorOriente 18 56 0

91 15:20 13 NorOriente 17 56 0

92 15:40 13 NorOriente 17 56 0

93 16:00 13 NorOriente 17 56 0

94 16:20 13 NorOriente 17 56 0

95 16:40 13 NorOriente 17 56 0

96 17:00 13 NorOriente 17 56 0

97 17:20 13 NorOriente 17 56 0

98 17:40 13 NorOriente 17 56 0

99 18:00 13 NorOriente 17 56 0

100 18:20 13 NorOriente 17 56 0

101 18:40 13 NorOriente 17 56 0

102 19:00 13 NorOriente 17 56 0


99

Tabla 15. Datos 2-Abril 1-Tabla datos

Datos 2

Temperatura (°C) Humedad Relativa

(%) Velocidad V. (m/s)

Dir. Viento

1 de Abril Estación Medidor Estación Medidor Estación Medidor Medidor

13:00 28 35 66 62 1 0 2

14:00 23 35 78 62 4 1 13

15:00 23 33 74 62 3 1 13

16:00 25 28 74 61 3 0 2

17:00 24 26 74 61 1 0 7

18:00 23 25 78 61 1 0 1

19:00 22 26 88 61 0 0 8

20:00 22 24 88 61 2 0 13

21:00 21 24 88 60 3 0 1

22:00 21 22 88 60 2 1 7

Promedios 23,2 27,8 79,6 61,1 2 0,3

%error 19,8% 23,2% 85%

Tabla 16. Datos 3-Abril 2-Tabla Datos

Datos 3


(%) Velocidad V. (m/s) Dir. Viento


05:00 21 22 83 60 3 1 7

06:00 21 20 83 60 1 0 8

07:00 20 21 88 60 2 0 11

08:00 20 20 88 60 0 0 2

09:00 23 20 78 60 1 0 13

10:00 24 20 78 60 2 0 1

11:00 24 21 78 60 2 1 13

12:00 25 23 74 60 2 0 13

13:00 25 28 74 61 1 0 1

14:00 24 33 74 62 1 1 4

Promedios 22,7 22,8 79,8 60,3 1,5 0,3

%error 0,44% 24,4% 80%


100

Tabla 17. Datos 4-Abril 3-Tabla Datos

Datos 4


(%) Velocidad V. (m/s) Dir. Viento


13:00 26 25 65 61 2 1 14

14:00 26 24 65 61 1 0 13

15:00 27 24 62 60 1 0 14

16:00 27 23 62 60 1 0 14

17:00 24 22 74 60 1 0 4

18:00 23 22 78 60 1 0 14

19:00 25 21 69 60 0 0 1

20:00 24 20 74 60 1 1 1

21:00 23 21 78 60 2 0 13

22:00 22 20 83 60 1 0 1

Promedios 24,7 22,2 71 60,2 1,1 0,2

%error 10% 15% 81%


101

Tabla 18. Datos de la Estación Meteorológica del Aeropuerto Matecaña de Pereira (Risaralda)

Hora local en Pereira (aeropuerto) T P0 P U DD Ff WW W'W' VV Td

18.11.2012 19:00 20.0 652.2 765.0 88 Calma, escampado 0 10.0 y más 18.0

18.11.2012 18:00 22.0 651.5 764.3 83 vientos de dirección variable 1 10.0 y más 19.0



18.11.2012 15:00 22.0 651.0 763.8 78 Viento procedente del nornoroeste 2 10.0 y más 18.0


18.11.2012 13:00 22.0 652.2 765.0 78 vientos de dirección variable 1 En las proximidades chubasco(s) 10.0 y más 18.0

18.11.2012 12:00 22.0 653.3 766.1 83 Viento procedente del norte 2 En las proximidades chubasco(s) Llovizna 9.0 19.0

18.11.2012 11:00 20.0 653.8 766.6 88 vientos de dirección variable 1 Llovizna, en las proximidades niebla 6.0 18.0

18.11.2012 10:00 18.0 654.5 767.3 100 Viento procedente del sur 2

Fuerte(-es)) llovizna,bancos de niebla 2.0 18.0

18.11.2012 09:00 19.0 653.8 766.6 100 vientos de dirección variable 1

Leve(-es) llovizna,bancos de niebla 1.5 19.0

18.11.2012 08:00 19.0 653.3 766.1 94 vientos de dirección variable 1 Bancos de niebla 1.0 18.0

18.11.2012 07:00 19.0 653.0 765.8 94 vientos de dirección variable 1 Niebla 0.8 18.0

18.11.2012 06:00 19.0 652.2 765.0 94 vientos de dirección variable 1 Bancos de niebla Llovizna 2.5 18.0

18.11.2012 05:00 19.0 651.7 764.5 94 vientos de dirección variable 1

Leve(-es) llovizna,bancos de niebla 5.0 18.0




102

17.11.2012 22:00 21.0 653.3 766.1 83 Viento procedente del noroeste 2 10.0 y más 18.0

17.11.2012 21:00 21.0 653.0 765.8 88 Viento procedente del este 2 10.0 y más 19.0


17.11.2012 19:00 22.0 651.5 764.3 83 Calma, escampado 0 En las proximidades chubasco(s) 10.0 y más 19.0

17.11.2012 18:00 23.0 651.0 763.8 74 vientos de dirección variable 1 En las proximidades chubasco(s) 10.0 y más 18.0

17.11.2012 17:00 24.0 650.7 763.5 74 Viento procedente del norte 2 En las proximidades chubasco(s) 10.0 y más 19.0

17.11.2012 16:00 24.0 650.0 762.8 74 Viento procedente del noroeste 2 10.0 y más 19.0

17.11.2012 15:00 24.0 650.5 763.3 74 Viento procedente del oestesuroeste 2 Llovizna 10.0 y más 19.0

17.11.2012 14:00 23.0 650.7 763.5 78 Viento procedente del sur 2 En las proximidades chubasco(s) 10.0 y más 19.0


17.11.2012 12:00 24.0 652.2 765.0 74 Viento procedente del norte 2 10.0 y más 19.0

17.11.2012 11:00 24.0 652.5 765.3 69 Viento procedente del nornoroeste 2 10.0 y más 18.0

17.11.2012 10:00 23.0 653.3 766.1 74 Viento procedente del oeste 2 10.0 y más 18.0


T: Temperatura (°C). P0: Presión Atmosférica a nivel de la estación (mmHg). P: Presión Atmosférica respecto al nivel del mar

(mmHg). U: Humedad Relativa (%). DD: Dirección del Viento. Ff: Velocidad del Viento (m/s). WW: Fenómenos especiales del tiempo.

W'W': Fenómenos meteorológicos recientes. VV: Distancia Horizontal de Visibilidad (km). Td: Temperatura de Rocío (°C).


103

ANEXO 4. MANUAL DE FUNCIONAMIENTO


104

Para la puesta en marcha del medidor del potencial micro-eólico se debe tener en cuenta los siguientes pasos: Paso 1: Conectar correctamente los pines según el puerto de expansión seleccionado (JP2 en este caso Figura 51), del kit de desarrollo DE2 y tener en cuenta los colores correspondientes para cada pin de acuerdo al archi

Figura 51. Puerto de Expansión

Colores Cableado: BIT1: Blanco Anm: Blanco-Negro Punteado BIT2: Verde BIT3: Café BIT4: Azul Vcc: Rojo BDR: Verde SCK: Blanco GND: Café La entrada del Pin R19 debe de ser conectada a Vcc (con una resistencia en serie de 20K para protección de la FPGA), ya que esta entrada siempre estará en nivel lógico alto y su estado cambiará con un nivel lógico bajo proveniente del anemómetro (Anm). Paso 2: Ejecutar el programa QUARTUS II 11.0 Web Edition y abrir el proyecto en la carpeta SD2 “finalproject.qpf” y compilar el proyecto.


105

Paso 3: En la barra de herramientas del QUARTUS II encontramos la pestaña “Tools”. En esta pestaña ubicamos “Nios II Software Build Tools for Eclipse” como se muestra en la siguiente figura:

Figura 52. Nios II Software Build Tools for Eclipse

Paso 4: Luego de seleccionar la carpeta donde se encuentra el proyecto se procede a compilar el

programa y ejecutarlo en la pestaña “Run Configuration” como lo muestra la siguiente Figura.


106

Figura 53. Run Configuration

Paso 5: En la pestaña de “Target Connection” se chequean las opciones “Ignore mismatched

system ID” e “Ignore mismatched system timestamp”, y se le presiona el botón “Refresh

Connections” para luego presionar el botón “Apply” y correr (Run) el programa.

Nota: Revisar los archivos adjuntos en el CD del código del Programa.

Documents

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE …bibliotecadigital.usb.edu.co/bitstream/10819/1794/1/Diseño... · diseÑo y construcciÓn de un sistema de adquisiciÓn