Tesis:
Estudio sobre la mejora de medidas del anemómetro de cazoletas
- Autor: RAMOS CENZANO, Álvaro
- Título: Estudio sobre la mejora de medidas del anemómetro de cazoletas
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: SISTEMAS AEROESPACIALES, TRANSPORTE AEREO Y AEROPUERTOS
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73306/
- Director/a 1º: PINDADO CARRION, Santiago
- Director/a 2º: OGUETA GUTIÉRREZ, Mikel
- Resumen: El anemómetro de cazoletas, sensor de medida de la velocidad del viento inventado por T.R. Robinson en el siglo XIX, sigue siendo a día de hoy el anemómetro más popular dentro de los sectores de la energía eólica y de la meteorología.
A pesar de los grandes avances que se han logrado gracias a las nuevas tecnologías como anemometría sónica, LIDAR y/o SODAR, el anemómetro de cazoletas sigue siendo el sensor de velocidad del viento más demandado gracias a su equilibrio entre precisión, fiabilidad, resistencia y coste (incluyéndose en este, los costes asociados a la calibración del instrumento); y en general, proporciona mediciones de la velocidad del viento suficientemente precisas dentro del rango de velocidades del viento más interesantes dentro del sector de la energía eólica.
Dejando a un lado una serie de problemas que los anemómetros de cazoletas pueden presentar en condiciones de viento con un elevado nivel de turbulencia, como por ejemplo la sobreestimación de la velocidad medida [1,2], es posible afirmar que un anemómetro calibrado de forma correcta, proporciona una medida precisa de la velocidad del viento (esto es, de su componente horizontal).
Estas mediciones de la velocidad del viento son de gran relevancia en la industria energética, ya que la energía eólica es proporcional a la tercera potencia de la velocidad del viento [3,4], afectando directamente a la capacidad de los generadores eólicos en la producción de energía eléctrica.
El presente trabajo es un nuevo aporte a las líneas de investigación que se están llevando a cabo en el laboratorio de calibración LAC-IDR/UPM del Instituto IDR/UPM, relativas a las actuaciones que presentan los anemómetros de cazoletas. Estas tareas de investigación se centran en:
• el estudio de los errores y el comportamiento de la señal de salida que los sistemas generadores de la señal de salida de los anemómetros de cazoletas registran en función de diversos agentes externos que puedan influir en la misma, así como su posible efecto sobre la medición de las velocidades de viento, y
• el estudio del posible uso de estos dispositivos a gran altitud, concretamente en misiones de globos aerostáticos, siendo los trabajos de investigación llevados a cabo y englobados en los dos bloques anteriormente expuestos, los siguientes:
o Realización, estudio y comparativa de grandes series de calibraciones de anemómetros comerciales.
o Estudio del efecto sobre las actuaciones de la densidad del aire y el envejecimiento de los componentes del sistema opto-electrónico.
o Desarrollo y empleo del análisis de Fourier para el estudio de las aceleraciones del rotor y predecir el estado del mismo.
o Estudio del efecto de las aceleraciones del rotor de un anemómetro en el proceso de calibración.
o Estudio y análisis de las actuaciones del anemómetro de cazoletas en función de la aerodinámica de las cazoletas
Tras la consecución de dichos estudios de investigación, se ha visto la necesidad de analizar más en profundidad la señal de salida de los anemómetros de cazoletas para la obtención de una mayor compresión de las actuaciones de los mismos, así como los errores inherentes que los sistemas generadores de onda cuadrada puedan tener.
ABSTRACT
The cup anemometer, a wind speed sensor invented by T.R. Robinson in the 19th century, is still today the best choice in the wind energy and meteorology sectors.
Despite the great advances achieved thanks to new technologies such as sonic anemometry, LIDAR and/or SODAR, the cup anemometer is still the most demanded wind speed sensor due to its balance between accuracy, reliability, robustness and cost (including the costs associated with instrument calibration); and in general, it provides sufficiently accurate wind speed measurements within the most interesting wind speed range in the wind energy sector.
Leaving aside a number of problems cup anemometers can present in turbulent flow applications, such as excess velocity [1, 2], it is possible to state that a properly calibrated anemometer provides good wind speed measurements (horizontal component).
These measurements are of great relevance in the energy industry, since wind energy is proportional to the third wind power of the wind speed [3, 4], directly affecting the capacity of wind generators in the production of electrical energy.
The present work is a new contribution to the research lines carried out in the calibration laboratory LAC-IDR/UPM of the IDR/UPM Institute, related to the performance of cup anemometers; which is focused on:
• Study of the errors and the behavior of the output signal that the output signal generating systems of the cup anemometers record depending on various external agents that may influence it, as well as its possible effect on the measurement of wind speeds.
• Study of the possible use of these devices at high altitude, specifically in hot air balloon missions.
being the research work carried out and encompassed in the two blocks described above, the following:
o Performance, study and comparison of large series of calibrations of commercial anemometers.
o Study of the effect on the performances of the air density and the aging of the components of the optoelectronic system.
o Development and use of Fourier analysis for the study of rotor accelerations and rotor condition prediction.
o Study of the effect of the rotor accelerations of an anemometer in the calibration process.
o Study and analysis of the performance of the cup anemometer as a function of the aerodynamics of the cups.
After the achievement of these research studies, it has been seen the need to analyze more in depth the output signal of the cup anemometers to obtain a better understanding of their performances, as well as the inherent errors that the square wave generator systems may have.