Estudio de flujo eólico para producción de energía eoloeléctrica

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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD ZACATENCO

INGENIERÍA ELÉCTRICA

ESTUDIO DE FLUJO EÓLICO PARA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA

EOLOELÉCTRICA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA:

GALICIA MUÑOZ MIGUEL ANGEL PATLAN SORROSA EMANUEL SOSA GARCÍA EDUARDO ENRIQUE

ASESORES:

DR. RICARDO OCTAVIO ARTURO MOTA PALOMINO

M. EN C. JAVIER HERRERA ESPINOSA

M. EN C. MANUEL GARCÍA LOPEZ

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Instituto Politécnico Nacional Página 2

AGRADECIMIENTOS

De: Miguel Ángel Galicia Muñoz

Antes de comenzar con la lectura de esta tesis, si el lector desea leer estos agradecimientos, quiero que conozcan que son expresados con mis más sinceros sentimientos.

A mis Padres:

Doy gracias a las personas más importantes en mi vida sobre todas las cosas, gracias por darme ánimos de seguir estudiando sin que tuvieran idea de que me los dieran.

Me brindaron y transmitieron ese apoyo incondicional, que solo un padre o una madre le pueden dar a un hijo, porque amor más grande que el de ellos hacia un hijo, no existe. Ustedes son mis mejores amigos, también las personas que me educaron y gracias a ustedes más que nadie ahora me encuentro siendo lo que soy, haciendo lo que he aprendido durante todos estos años, que es a no rendirme, a no bajar la mirada ante nadie ni nada, a buscar una solución a todo, y cuando no se encontrara, una alternativa de solución.

Día a día me enseñaron valores y responsabilidades así como obligaciones, gracias

a ustedes ¡mis padres! termino con éxito mi carrera. Es un paso más que se debe

realizar en esta vida, pero no por haber dado este gran paso, significa que dejaré de luchar para salir adelante. Aún si el fracaso tocara en mi puerta, sé que cuento con ustedes, para recibir un consejo ó para darme ánimos. Ya que solo ustedes estarán en las buenas y en las malas durante el resto de mi vida o sus vidas.

¡Por eso y más doy gracias por todo!

Al Instituto Politécnico Nacional:

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apoyos y demás servicios, mi carrera fue desarrollada de una manera positiva y con un excelente camino.

En el Instituto Politécnico Nacional he topado de todo.

He vivido malas y gratas experiencias, que en algún momento de mi vida, pudieron repercutir en lo que soy ahora y en lo que me desarrollaré en un futuro no muy lejano.

De: Eduardo Enrique Sosa García

AGRADECIMIENTOS

A mis padres: Enrique Sosa Pérez y Teresa García Romero

Por el apoyo incondicional que me brindaron durante toda mi carrera, también a todos mis familiares y amigos que siempre creyeron en mí.

A mis profesores: Christian Daniel Esperilla Villanueva y Javier Herrera Espinosa

Por la motivación, ayuda y palabras de aliento que me dieron en el momento que más lo necesite.

Al Instituto Politécnico Nacional que me brindó la oportunidad y los medios para mi formación profesional.

DEDICATORIA:

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De: Emanuel Parlan Sarrosa

Les agradezco principalmente a mis padres Dominga Sorrosa y Manuel Patlan por el apoyo brindado en el transcurso de mi formación escolar y profesional, ya que gracias al apoyo económico, alimenticio, psicológico y el tiempo que me dedicaron, me ayudó a que hoy en día culminen mis estudios.

Cabe mencionar el apoyo de mis compañeros de estudio con los cuales, conviví a lo largo de la presente generación escolar, compartiendo tareas y desveladas. Agradezco a los profesores que formaron una parte fundamental en mi formación profesional, a todos y cada uno de ellos, a los buenos y malos docentes, que nos dejaron conocimientos, aptitudes, costumbres, razonamientos, etcétera.

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GLOSARIO Y LISTA DE SÍMBOLOS

MW: Mega Watts.

kW: Kilo Watts.

kW/h: Kilo Watt por hora.

kV: Kilo Volts

m/s: metros por segundo.

W/m2: Watt por metro cuadrado

CA: Corriente Alterna

CD: corriente Directa

Ee: Energía Extraíble

Cp: Coeficiente de Potencia

Eoloeléctrica: Es la energía obtenida por medio del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles para las actividades humanas.

Combustibles Fósiles: Son aquellos que proceden de la biomasa obtenida hace millones de años y que ha sufrido grandes procesos de transformación hasta la formación de sustancias de gran contenido energético como el carbón, el petróleo, o el gas natural, etc.

Hidrocarburos: Son compuestos orgánicos formados únicamente por átomos de carbono e hidrógeno. La estructura molecular consiste en un armazón de átomos de carbono a los que se unen los átomos de hidrógeno. Los hidrocarburos son los compuestos básicos de la Química Orgánica

Álabe: Es la paleta curva de una turbomáquina o máquina de fluido rotodinámica. Forma parte del rodete y, en su caso, también del difusor o del distribuidor. Los álabes desvían el flujo de corriente, bien para la transformación entre energía cinética y energía de presión por el principio de Bernoulli, o bien para intercambiar cantidad de movimiento del fluido con un momento de fuerza en el eje.

Volátil: Que cambia constantemente y de forma poco predecible.

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Aunar (Aunado): Unir y armonizar o poner de acuerdo cosas distintas.

Portear (Porteó): Llevar o transportar una cosa de un lugar a otro a cambio de un dinero previamente convenido.

Regiones Polares: Son las áreas de un planeta o cualquier astro que rodean los polos geográficos. En la Tierra, el Polo Norte y el Polo Sur son los centros de estas regiones, que están dominadas por capas de hielo, descansando respectivamente en el océano Glacial Ártico y el continente antártico.

Vientos Alisios: Son aquellos que soplan de manera relativamente constante en verano (hemisferio norte) y menos en invierno. Circulan entre los trópicos, desde los 30-35º de latitud hacia el ecuador. Se dirigen desde las altas presiones subtropicales, hacia las bajas presiones ecuatoriales. El movimiento de rotación de la Tierra desvía a los alisios hacia el oeste, y por ello soplan del nordeste al sudoeste en el hemisferio norte y del sudeste hacia el noroeste en el hemisferio sur.

Convergencia Intertropical: Es un cinturón de baja presión que ciñe el globo terrestre en la región ecuatorial. Está formado, como su nombre indica, por la convergencia de aire cálido y húmedo de latitudes al norte y al sur del ecuador. A esta región también se la conoce como frente intertropical o zona de convergencia ecuatorial.

Borrasca: Es una región donde la presión atmosférica es más baja que la del aire circundante.

Odómetro: Dispositivo que indica la distancia recorrida en un viaje por un vehículo.

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ÍNDICE GENERAL

INTRODUCCIÓN... 13

1.1 Generalidades ... 13

1.2 Objetivos ... 14

1.2.1 Objetivo General ... 14

1.2.2 Objetivos Específicos ... 14

1.3 Justificación ... 14

1.4 Antecedentes ... 15

1.4.1 Diagnóstico ... 15

1.4.2 Acciones del Gobierno ... 18

1.4.3 Acciones Específicas ... 19

1.4.4 Obras de Interconexión ... 21

1.4.5 Retos ... 23

1.5 Estructura de la Memoria ... 23

CAPÍTULO 2 ... 25

EL RECURSO VIENTO ... 25

2.1 El Recurso Eólico ... 25

2.2 Patrones Globales de Circulación del Viento ... 26

2.3 Cálculo de la Potencia del Viento ... 30

2.3.1 Distribución de Weibull ... 33

2.3.2 Patrón Diario y Autocorrelación... 34

2.4 Información Necesaria para Evaluar el Uso de la Energía Eólica ... 36

2.5 Métodos Utilizados para Medir la Velocidad del Viento ... 39

2.5.1 Información Empírica ... 39

2.5.2 Anemómetros Totalizadores ... 41

2.5.3 Método de Correlación ... 43

2.5.4 Instalación de Pequeños Equipos Eólicos ... 43

2.5.5 Adquisición de Datos en Tiempo Real ... 44

2.6 Tipos de Aerogeneradores ... 45

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2.6.1.1 Eje vertical ... 45

2.6.1.2 Eje horizontal ... 45

Tripala ... 45

Torres Tubulares ... 46

2.6.2 Según Potencia Suministrada ... 47

2.6.2.1 Equipos de Baja Potencia ... 47

2.6.2.2 Equipos de Media Potencia... 47

2.6.2.3 Equipos de Alta Potencia ... 47

2.7 La Energía en el Viento: Densidad del Aire y Área de Barrido del Rotor ... 48

2.7.1 Densidad del Aire ... 48

2.7.2 Área de Barrido del Rotor ... 49

2.8 Partes Básicas de un Sistema Eólico Pequeño para Generación de Electricidad ... 49

2.8.1 Turbina Eólica ... 50

2.8.2 Alternador ... 51

Alternadores Síncronos ... 51

Alternadores Asíncronos ... 51

Alternadores Lentos ... 52

Alternadores de Imanes Permanentes ... 52

2.8.3 Torre y Cola ... 53

2.8.4 Balance del Sistema ... 55

2.8.5 Banco de Baterías ... 55

2.8.5.1 Características Básicas ... 55

2.8.5.2 Parámetros del Banco de Baterías ... 56

2.8.5.3 Batería de Plomo Acido ... 57

2.8.5.4 Vida Útil de las Baterías ... 59

2.8.6 Inversor DC-AC ... 61

2.8.7 Sistemas Aislados ... 63

2.8.8 Sistemas Conectados a la Red ... 65

2.8.9 Energía Generada por una Turbina ... 65

2.9 Software HOMER ... 66

CAPÍTULO TRES ... 69

3.1 Software a Emplear ... 69

3.2 Lugar a Evaluar Potencial Eólico ... 70

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3.3.1 Inserción de Datos ... 71

3.3.2 Elección de la Turbina ... 75

3.3.3 Características del Convertidor ... 76

3.3.4 Características de la Batería ... 77

CAPÍTULO 4 ... 79

ANALISIS Y RESULTADOS ... 79

4.1 Resultados Para un Generador de 7.5 kW ... 79

4.1.1 Resultados Eléctricos ... 79

4.1.2 Comportamiento del Aerogenerador ... 80

4.1.3 Comportamiento de la Batería ... 81

4.1.4 Comportamiento del Convertidor ... 81

4.2 Resultados con Dos Aerogeneradores de 7.5 kW ... 82

4.2.1 Segundo Caso a Evaluar ... 82

4.2.2 Resultados Eléctricos ... 83

4.2.3 Comportamiento del Aerogenerador ... 83

4.2.4 Comportamiento de la Batería ... 84

4.2.5 Comportamiento del Convertidor ... 85

4.3 Estudio Técnico Económico ... 86

4.3.1 Tarifa DAC ... 86

4.3.2 Costo de la Energía Consumida ... 87

4.3.3 Costo Total del Proyecto ... 87

4.3.4 Análisis de la Rentabilidad del Sistema Eoloelectrico. ... 88

CAPÍTULO 5 ... 90

CONCLUSIONES ... 90

CAPÍTULO 6 ... 91

TRABAJOS A FUTURO ... 91

ANEXO 1 ... 93

VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO CON LA ALTURA ... 94

ANEXO 2 ... 96

ANEXO 3 ... 98

ANEXO 4 ... 101

(11)

ÍNDICE DE TABLAS

Capítulo 1

Tabla 1. 1 Proyectos Eólicos Comprometidos. ... 17

Tabla 1. 2 Proyectos Eólicos potenciales. ... 18

Tabla 1. 3 Obras de Interconexión. ... 22

Capítulo 2 Tabla 2. 1 Variación de la Potencia Eólica Específica. ... 32

Tabla 2. 2 Densidad del Aire a Diferentes Alturas Sobre el Nivel del Mar. ... 33

Tabla 2. 3 Escala de Beaufort para la Intensidad de Viento. ... 41

Capítulo 3 Tabla 3. 1 Registro de Velocidades del Viento Anual. ... 70

Tabla 3. 2 Datos de la carga en kW/h. ... 74

Capítulo 4 Tabla 4. 1 Limite Para Ingresar a Tarifa DAC. ... 85

Tabla 4. 2 Consumo y Costo de la Energía. ... 86

Tabla 4. 3 Costo Total del Proyecto. ... 41

Tabla 4. 4 Rentabilidad del Sistema. ... 87

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ÍNDICE DE FIGURAS

Capítulo 2

Figura 2. 1 Representación del Patrón Global de Circulación de Vientos. ... 27

Figura 2. 2 Perfiles de Velocidad de Viento en Función de las Características del Terreno. ... 28

Figura 2. 3 Aceleración del Viento en Pasos de Montaña. ... 30

Figura 2. 4 Velocidad del Viento. ... 31

Figura 2. 5 Patrón Diario y Curva Sinusoidal de Ajuste. ... 34

Figura 2. 6 Serie de Datos de Velocidad del Viento sin Autocorrelación (r1=0). ... 35

Figura 2. 7 Serie de Datos de Velocidad del Viento sin Autocorrelación (r1=0.96). ... 35

Figura 2. 8 Función de Autocorrelación de una Serie de Datos de Viento. ... 35

Figura 2. 9 Función de Autocorrelación de una Serie de Datos de Viento sin Perfil Promedio Diario. . 36

Figura 2. 10 Deformación por la Incidencia Permanente del Viento. ... 40

Figura 2. 11 Anemómetro de Recorrido. ... 42

Figura 2. 12 Aerogenerador Tipo Tripala. ... 46

Figura 2. 13 Aerogenerador Tipo Torre Tubular. ... 46

Figura 2. 14 Área del Barrido del Rotor. ... 48

Figura 2. 15 Partes Básicas. ... 49

Figura 2. 16 Componentes Básicos de un Sistema de Generación Eólico ... 50

Figura 2. 17 Conexión Estrella – Delta. ... 52

Figura 2. 18 Torre Abatible. ... 54

Figura 2. 19 Curva de Vida Util de una Bateria de ciclo Profundo. ... 54

Figura 2. 20 Inversor Tipo Push Pull. ... 60

Figura 2. 21 Sistema Aislado. ... 63

Figura 2. 22 Tamaño Relativo de Pequeñas Turbinas Eolicas. ... 65

Capítulo 3 Figura 3. 1 Ubicación con Potencial Eólico. [7] ... 70

Figura 3. 2 Velocidad Anual Promedio a 20 y 40 metros. ... 71

Figura 3. 3 Pestaña de Selección de los Elementos del Sistema. ... 71

Figura 3. 4 Selección de los Elementos del Sistema. ... 72

Figura 3. 5 Inserción de Velocidades Promedio Mensuales. ... 73

Figura 3. 6 Carga Anual. ... 75

Figura 3. 7 Selección del Aerogenerador. ... 76

Figura 3. 8 Selección del Convertidor. ... 76

Figura 3. 9 Selección de la Batería. ... 77

Figura 3. 10 Características de la batería S460. ... 77

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Capítulo 4

Figura 4. 1 Resultados del Sistema con un Aerogenerador. ... 79

Figura 4. 2 Resultados Eléctricos... 80

Figura 4. 3 Operación del Aerogenerador. ... 80

Figura 4. 4 Operación de la Batería. ... 81

Figura 4. 5 Operación del Convertidor. ... 82

Figura 4. 6 Simulación con 2 aerogeneradores de 7.5kW. ... 82

Figura 4. 7 Resultados Eléctricos... 83

Figura 4. 8 Operación del Aerogenerador. ... 84

Figura 4. 9 Operación de la Batería. ... 85

Figura 4. 10 Operación del Convertidor. ... 85

Capítulo 6 Figura 6. 1 Aerogeneradores en Diferentes Niveles de Tensión. ... 91

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CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1 Generalidades

La fuerza del viento ha sido utilizada por la humanidad desde épocas más remotas de su historia, primero para transporte de personas, mercancías a través de los mares en barcos de vela y luego, mediante mecanismos algo más complejos, para la molienda de granos y el bombeo de agua. Al paso del tiempo la tecnología de las máquinas eólicas ha evolucionado hasta un punto tal que en nuestros días constituye incorporación de nuevos materiales y nuevas técnicas de ingeniería, las grandes máquinas eólicas de hoy en poco se parecen a las gigantes máquinas que se tenía antes.

La tecnología eólica para la generación eléctrica cobra importancia en un momento en que la humanidad busca alternativas de generación de menor impacto ambiental, y en el que las economías menos favorecidas buscan atraer capitales para mejorar su infraestructura eléctrica a través de esquemas tecnológicos y financieros flexibles. Varios países han emprendido con éxito la ruta eólica asimilando la tecnología, creando con ello fuentes de empleo y construyendo centrales generadoras cuya capacidad crece día con día. [3]

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1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo General

Realizar un estudio de flujo eólico, que indique si la Península de Yucatán cuenta con los recursos necesarios, para realizar la generación de energía eoloeléctrica en pequeña escala por medio de aerogeneradores.

1.2.2 Objetivos Específicos

 Conocer los métodos para realizar el cálculo de flujo eólico.

 Realizar un estudio de flujo eólico.

 Conocer los parámetros necesarios para realizar una simulación.

 Realizar la simulación de un sistema eólico.

1.3 Justificación

Los procesos convencionales para la generación de electricidad que se basan en la quema de combustibles fósiles, emiten cantidades importantes de gases de efecto invernadero y de contaminantes atmosféricos.

En México el Gobierno Federal está convencido de que frenar el calentamiento global y el cambio climático no es una responsabilidad exclusiva o aislada de las naciones o los grupos económicos más desarrollados, sino que debe ser compartida, en la medida de sus capacidades, por todos los individuos y las naciones, para contribuir y aportar a la mitigación y solución de este desafío internacional. Por ello, se ha tomado la decisión de implementar acciones de corto plazo que puedan generar una transición energética nacional, es decir, un cambio radical en la manera en la que se obtiene energía, así como en la que se consume.

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políticas, programas, proyectos y acciones encaminados a conseguir una mayor utilización de las energías renovables y las tecnologías limpias, promover la eficiencia y sustentabilidad energéticas.

Debido a que la tecnología eoloeléctrica ha alcanzado un nivel importante en el desarrollo energético, tanto en lo técnico como en lo económico, se ha colocado en uno de los primeros planos de atención para integrarla a los sistemas eléctricos convencionales. Conforme a lo anterior se ha decidido utilizar este tipo de generación eoloeléctrica renovable para el presente estudio. [1]

1.4 Antecedentes

1.4.1 Diagnóstico

Desde hace mucho tiempo se ha aprovechado la energía del viento o energía eólica en aplicaciones como el transporte con velas, la molienda de granos y el bombeo de agua, pero fue hasta hace relativamente pocos años, que se desarrolló la tecnología para transformar esta energía en electricidad a gran escala.

El proceso consiste en atrapar la energía cinética asociada al viento y transformarla en otra fuente de energía como la mecánica o la eléctrica.

Esta tecnología ha evolucionado desde finales del siglo XIX hasta alcanzar costos muy competitivos, que le han permitido posicionarse en los mercados eléctricos internacionales y complementar la oferta eléctrica mundial.

Además de las dimensiones, los principales cambios que están teniendo los generadores eólicos el día de hoy son reflejo del avance que se tiene en materiales para su fabricación y la evolución de los álabes, rotores, generadores y sistemas de control.

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a) La primera, que utiliza una máquina generadora de eje horizontal apoyada en lo alto de una estructura, cuyo rotor está provisto con álabes o palas que le permiten capturar la energía cinética del viento. Esta es la tecnología más estudiada y utilizada en el planeta dado que permite capturar vientos de alturas superiores, donde son más ricos, y su instalación y mantenimiento presenta menos complicaciones.

b) La segunda, que utiliza un generador de eje vertical apoyado en el suelo con un rotor igualmente provisto de álabes que le permiten capturar la energía.

La tecnología continúa avanzando a través del aumento en las dimensiones y eficiencia de las máquinas, pasando de las primeras que tenían una capacidad medida en decenas de kilowatts, hasta máquinas de varios Megawatts que operan al día de hoy. De igual forma, la explotación de este recurso renovable ha migrado desde las zonas con viento en tierra hacia otras más complejas como el mar abierto.

Así como otras fuentes de energía renovable, la energía eólica presenta ventajas importantes para cualquier matriz energética debido a sus costos, a que no produce emisiones de gases de efecto invernadero y a que no está sujeta a la volatilidad de los precios de los combustibles. En cambio, presenta desventajas en la distancia entre las zonas de viento y las redes eléctricas, la contaminación visual y auditiva que produce y el impacto que puede tener en la fauna que habita las zonas de viento o utilizan este recurso como una guía en sus migraciones anuales. [2]

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[image:18.612.114.515.107.621.2]

Tabla 1. 1 Proyectos Eólicos Comprometidos.

Proyecto Desarrollador Región Modalidad MW

La Venta CFE Oaxaca Servicio Publico 1.6

Guerrero Negro CFE Baja California Servicio Publico 0.6

La Venta II CFE Oaxaca Servicio Publico 83.3

Eurus Acciona Oaxaca Autoabasto 250

Parques Ecológicos de México

Iberdrola Oaxaca Autoabasto 79.9

Fuerza Eólica del Istmo Fuerza Eólica- Peñoles Oaxaca Autoabasto 30.0 Eléctrica del Valle de

México

Edf Energies Nouvelles-Mitsui Oaxaca Autoabasto 67.5

Eoliatec del Istmo Eoliatec Oaxaca Autoabasto 22.0 BiiNeeStipa

EnergíaEólica

CISA- Gamesa Oaxaca Autoabasto 26.3

La Venta III CFE Oaxaca Productor

Independiente de Energía

101.4

Oaxaca I CFE Oaxaca Productor

101.4

Centro Regional de Tecnología Eólica

Instituto de investigaciones Eléctricas

Oaxaca Pequeño Productor

5.0

Desarrollos Eólicos Mexicanos

Demex Oaxaca Autoabasto 227.5

Eoliatec del Pacifico Eoliatec Oaxaca Autoabasto 160.5 Eoliatec del Istmo (2º

fase)

Eoliatec Oaxaca Autoabasto 142.2

Gamesa Energía Gamesa Oaxaca Autoabasto 288.0

Vientos del Istmo Preneal Oaxaca Autoabasto 180.0 Energía Alterna Istmeña Preneal Oaxaca Autoabasto 215.9 Unión Fenosa

Generación México

Unión Fenosa Oaxaca Autoabasto 227.5

Fuerza Eólica del Istmo (2ºfase)

Fuerza Eólica Oaxaca Autoabasto 50.0

Oaxaca II- IV CFE Oaxaca Productor

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Tabla 1. 2 Proyectos Eólicos potenciales.

Proyecto Desarrollador Región Modalidad MW Fuerza Eólica de

Baja California

Fuerza eólica Baja California Exportación 300.0

México Wind UniónFenosa/global Baja California Exportación 500.0 ND CannonPower Baja California Exportación 200.0 Baja Wind SempraEnergy Baja California Exportación 250.0 Baja California Fuerza Eólica Baja California Autoabasto 10.0 ND Gobierno del

Estado

Baja California Autoabasto 10.0

Los Vergeles SEER Tamaulipas Autoabasto 160.0 Eólica Santa

Catarina

Econergy Nuevo León Autoabasto 20.0

Los proyectos actualmente instalados en Oaxaca se basan principalmente en la modalidad de autoabastecimiento. La viabilidad de los proyectos está directamente relacionada con las tarifas oficiales de energía eléctrica, los costos de inversión y costos de porteó asociados al transporte de la energía desde el punto de interconexión hasta los puntos de carga. [1]

1.4.2 Acciones del Gobierno

La energía eólica ha tenido un importante crecimiento en los últimos años, colocándose como una de las principales fuentes renovables de generación eléctrica. En México, ya se han tenido experiencias en Baja California y Oaxaca y, a partir del año 2006, se inició el desarrollo de diversos parques eólicos bajo un proyecto que se denominó Temporada Abierta.

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El Instituto de Investigaciones Eléctricas concluyó el Centro Regional de Tecnología Eólica (Certe) en la región del Istmo de Tehuantepec, en Oaxaca, con apoyo del Programa de Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) y el Fondo Mundial para el Medio Ambiente (GEF). Este será un centro para la investigación y el desarrollo tecnológico enfocado en la energía eólica.

Aunado a esto, continúa sus esfuerzos para ampliar la información sobre el potencial eólico nacional mediante estudios de sitio que permiten tener un gran nivel de detalle para la toma de decisiones sobre la instalación de parques eólicos.

Este instituto firmó un convenio con la Fundación Holandesa de Investigación en Energía. Con el cual se está avanzando en la preparación del centro, con el fin de certificar equipos eólicos para la Clase I y Clase I Especial. Este será el primer laboratorio de su tipo y alcance en América Latina para condiciones de viento intensas.

Adicionalmente, el Instituto de Ingeniería de la UNAM estudia alternativas para la desalación de agua de mar en Baja California a partir de fuentes renovables, incluida la energía eólica.

Además, las modificaciones que ha sufrido el marco legal aplicable a la energía renovable, a través de nuevos contratos de interconexión y la creación de un marco jurídico que destaque las ventajas de esta tecnología, han permitido que el país avance con pasos firmes hacia el desarrollo de esta industria y de nuevas herramientas que permitan ampliar la participación y el entendimiento de la energía eólica en el beneficio de nuestro país. [1]

1.4.3 Acciones Específicas

Las características geográficas y meteorológicas del país permiten impulsar la energía eólica, por lo que se plantean las siguientes acciones específicas:

(21)

desarrollo, así como de la infraestructura existente y necesaria para el desarrollo de la industria eólica;

2. Vincular la política de energía eólica con programas de electrificación rural; 3. Establecer mecanismos de participación pública que permitan el diálogo y articulación entre los actores públicos, privados y sociales claves para el desarrollo de la industria;

4. Promover la utilización de las mejores prácticas internacionales para la coexistencia de los sistemas eólicos con la biodiversidad y su hábitat, en particular la fauna voladora residente y migratoria, así como con la vocación natural de los suelos;

5. Identificar las capacidades técnicas, de servicios y de manufactura disponibles en las zonas con recurso eólico;

6. Difundir ante el sector industrial los beneficios que se pueden obtener por la manufactura de componentes de energía eólica, así como para su investigación y desarrollo;

7. Promover la integración de Pequeñas y Medianas Empresas de bienes y servicios asociados a la energía eólica;

8. Establecer mecanismos que permitan la transferencia de conocimiento por parte de las empresas desarrolladoras de tecnología del extranjero, que participen en proyectos nacionales, mediante esquemas que inicialmente promuevan la incorporación de un porcentaje mínimo de contenido nacional en el proyecto y que en el largo plazo fomenten un intercambio de conocimiento que permita el desarrollo y manufactura de componentes y hasta equipos completos en el país;

9. Identificar los requerimientos de transmisión y comunicaciones para el desarrollo de zonas con potencial de desarrollo eólico, y diseñar reglas y esquemas que permitan la construcción de dicha infraestructura;

(22)

su aprovechamiento en proyectos rurales. Por otra parte, impulsar el desarrollo de aquellas tecnologías que permitan maximizar el aprovechamiento de vientos tan intensos como los que prevalecen en la zona del Istmo de Tehuantepec;

11. Promover la colaboración entre las diferentes instituciones nacionales e internacionales de educación superior en materia de investigación y desarrollo para la energía eólica, así como el intercambio de información de expertos para el desarrollo de la industria nacional;

12. Avanzar en el diseño de mejores materiales y elementos que permitan reducir la relación costo-beneficio y aumenten la eficiencia, resistencia y confiabilidad de generadores y álabes sujetos a distintas condiciones de viento presentes en México y otras regiones del mundo;

13. Establecer líneas de investigación para el control e incorporación de la energía eólica generada en condiciones excepcionales, aplicaciones urbanas, aprovechamiento del recurso en mar abierto y equipos de clase especial; 14. Fomentar la integración estratégica de cadenas de suministro y la participación de empresas nacionales dentro de cadenas internacionales que maximicen el beneficio de la manufactura de componentes y equipos mexicanos destinados a la industria de energía eólica;

15. Adoptar simuladores de pronóstico de viento que sirvan de base para el pre-despacho de la energía eólica con y sin almacenamiento hídrico. [1]

1.4.4 Obras de Interconexión

(23)

modalidades permitidas por la legislación vigente. Este proyecto tiene un costo estimado de 3,800 millones de pesos.

La tabla 1.3 muestra los proyectos referidos en la meta, así como los proyectos de autoabastecimiento que están en desarrollo. Estos proyectos, junto con otros renovables, permitirán alcanzar la meta de participación de capacidad del Programa

[image:23.612.111.522.236.729.2]

Sectorial de Energía 2007-2012: [1]

Tabla 1. 3 Obras de Interconexión.

Proyectos Eólicos 2007 – 2012

Proyecto Desarrollador Ubicación Modalidad Mw

La Venta CFE Oaxaca Servicio Publico 1.35

Guerrero Negro CFE Baja California Servicio Publico 0.6

La Venta II CFE Oaxaca Servicio Publico 83.3

La Venta III CFE Oaxaca PIE 101.4

Oaxaca I CFE Oaxaca PIE 101.4

Oaxaca II- IV CFE Oaxaca PIE 304.2

Subtotal 1 592.5

Eurus Acciona Oaxaca Autoabasto 250.0

Parques Ecológicos de México

Iberdrola Oaxaca Autoabasto 79.9

Fuerza Eólica del Istmo Fuerza Eólica- Peñoles Oaxaca Autoabasto 30.0 Eléctrica del Valle de

México

EdfEnergiesNouvelles-Mitsui Oaxaca Autoabasto 67.5

Eoliatec del Istmo Eoliatec Oaxaca Autoabasto 21.2 BiiNeeStipa Energía

Eólica

CISA- Gamesa Oaxaca Autoabasto 26.3

Desarrollos Eólicos Mexicanos

Demex Oaxaca Autoabasto 227.5

Eoliatec del Pacifico Eoliatec Oaxaca Autoabasto 160.5 Eoliatec del Istmo (2º

fase)

Eoliatec Oaxaca Autoabasto 142.2

Gamesa Energía Gamesa Oaxaca Autoabasto 288.0

Vientos del Istmo Preneal Oaxaca Autoabasto 180.0 Energía Alterna Istmeña Preneal Oaxaca Autoabasto 215.9 Unión Fenosa

Generación México

Unión Fenosa Oaxaca Autoabasto 227.5

Fuerza Eólica del Istmo (2ºfase)

Fuerza Eólica Oaxaca Autoabasto 50.0

Centro Regional de Tecnología Eólica

Instituto de investigaciones Eléctricas

Oaxaca Pequeña Producción

5.0

Subtotal 2 1971.5

(24)

1.4.5 Retos

Existen retos comunes a los que se enfrenta la energía eólica en México y el mundo. La disponibilidad de equipos eólicos ha sido muy volátil en los últimos años, al igual que sus precios, por el exceso de demanda de equipos en el mundo y las capacidades limitadas de manufactura. Contar con una disponibilidad local de equipos, componentes y servicios para la instalación y desarrollo de estos proyectos dará una clara ventaja a la tecnología para un desarrollo exitoso en México y permitiría posicionar al país como un polo tecnológico para la región.

Es importante lograr avances en el diseño y utilización de materiales que permitan aumentar la eficiencia de generación de las máquinas así como su competitividad frente a otras tecnologías. De igual forma, es necesario contar con equipos diseñados específicamente para las condiciones de viento presentes en México.

Por otro lado, las restricciones de acceso y distancias para interconexión de proyectos a las redes eléctricas han sido una gran barrera en las zonas donde se desarrollarán los proyectos. Por esto, es necesario diseñar esquemas que permitan instalar la infraestructura de transmisión y comunicación necesaria para el desarrollo exitoso de proyectos de energía eólica.

Por último, para lograr un desarrollo sostenible del crecimiento de la industria de las energías renovables en México, debemos implementar medidas que protejan la biodiversidad en las zonas de viento. [1]

1.5 Estructura de la Memoria

El presente trabajo de tesis cuenta con 6 capítulos, incluido el presente que corresponde a la introducción. A continuación se detallan los contenidos principales de cada capítulo.

(25)

Mientras que en el Capítulo 3 se muestra el software a emplear (HOMER), el lugar a evaluar el potencial eólico, después de esto viene la inserción de datos al programa y posteriormente la selección de los equipos que satisfacen las necesidades de nuestro sistema a simular.

En el Capítulo 4 se presentan los resultados de las simulaciones, así como el comportamiento de los equipos que se seleccionaron, tanto para el primer caso (1 aerogenerador), como para el segundo (2 aerogeneradores).

(26)

CAPÍTULO 2

EL RECURSO VIENTO

2.1 El Recurso Eólico

El viento es aire en movimiento, tanto horizontal como vertical. Generalmente se suele aplicar a la corriente de aire que se desplaza en sentido horizontal propio de la atmósfera; los movimientos verticales, o casi verticales, se llaman corrientes. Los vientos se producen por diferencias depresión atmosférica, atribuidas, a diferencias de temperatura.

La determinación precisa del recurso eólico es una tarea difícil e incierta, especialmente cuando se compara con la energía solar o la energía hidráulica. Las razones para esto son:

a) Una gran variabilidad de velocidades de viento que se encuentra en las diferentes regiones del mundo, teniendo un promedio anual de velocidad de 2 m/s hasta 4 ó 7 m/s en lugares con mucho viento. Esta variación en viento implica una mayor variabilidad en la potencia disponible, desde 40 a 200 W/m2_.

b) Inmensas diferencias en velocidad de viento (y por ende en potencia) se observan en pequeñas distancias debido a la cambiante topografía del terreno y su rugosidad. En pequeñas distancias la potencia eólica puede variar en un orden de magnitud.

(27)

medición causa un mayor error en la potencia calculada. Por ejemplo, la potencia eólica en un viento de 5 m/s es el doble que en un viento de 4 m/s. Por estas razones no es posible presentar, en general, una metodología simple y directa para la evaluación del recurso eólico. Sin embargo se dará aquí una introducción a los aspectos principales y la terminología típicamente utilizada. [5]

¿Qué es la Energía Eólica?

Es la energía que podemos obtener de la fuerza del viento o también la energía eólica es la energía cinética presente en las corrientes de aire o viento.

2.2 Patrones Globales de Circulación del Viento

El viento es aire en movimiento y es una forma indirecta de la energía solar. Este movimiento de las masas de aire se origina por diferencias de temperatura causada por la radiación solar sobre la superficie terrestre, que junto a la rotación de la tierra, crean entonces los llamados patrones globales de circulación.

El flujo de energía solar total absorbido por la tierra es del orden de 1017_{watts, lo cual}

es aproximadamente 10,000 veces la tasa total mundial del consumo energético.

Una pequeña porción del flujo total solar (aproximadamente 1% o 1015_{watts) se}

convierte en movimiento atmosférico o viento.

En una escala global las regiones alrededor del ecuador reciben una ganancia neta de energía mientras que en las regiones polares hay una pérdida neta de energía por radiación.

Esto implica un mecanismo por el cual la energía recibida en las regiones ecuatoriales sean transportadas a los polos.

(28)

Figura 2. 1 Representación del Patrón Global de Circulación de Vientos.

En la parte superior de la atmósfera estas masas de aire se dividen en dos, una alejándose del ecuador hacia el norte y otra alejándose hacia el sur. Al alejarse del ecuador, el aire se enfría y se vuelve más pesado. A aproximadamente 30° de latitud Norte y Sur, este aire empieza a descender, causando un clima seco y sin nubes. En estas latitudes es donde se encuentran los grandes desiertos alrededor del mundo.

A nivel de superficie terrestre, los vientos se devuelven hacia el ecuador como vientos alisios.

Debido a la rotación de la tierra su dirección se desvía hacia el oeste en los dos hemisferios norte y sur. Por esto la dirección de los vientos alisios es NE y SE (la dirección se determina por la dirección de donde viene el viento y no hacia donde se dirige).

La Zona de Convergencia Intertropical se desplaza hacia al norte del ecuador durante el verano del hemisferio norte y hacia el sur en el invierno. Es muy estable y por esto los vientos alisios son permanentes. Dentro de esta zona, se encuentran vientos de baja intensidad, interrumpidos por un alto nivel de tormentas eléctricas. Al tiempo, se pueden experimentar largos períodos de calma de viento.

(29)

estructura ondulada y formación de depresiones atmosféricas moviéndose del oeste hacia el este.

Desviaciones del patrón general de circulación de aire en movimiento ocurren debido a la distribución no homogénea de masas de tierra sobre el globo. En promedio, mayor concentración de masas de tierra se encuentra en el hemisferio norte que en el hemisferio sur.

Dado que la masa de tierra se calienta más fácilmente por el sol, que los océanos, la posición promedio de la ZCIT es 5° Norte del ecuador. [5]

Variación del Viento con la Altura Sobre el Terreno

[image:29.612.89.537.445.655.2]

El perfil del viento (v.g.- la velocidad de viento como una función de la altura sobre el terreno) puede ser expresado en una relación matemática sencilla. La forma de este perfil dependerá principalmente de la rugosidad del terreno. La Figura 2.2 ilustra el comportamiento de perfil de velocidades del viento en función de las características topográficas del terreno.

(30)

Para terreno plano y abierto (esto es, libre de obstáculos de gran tamaño y con vegetación de pequeño tamaño relativo) se han desarrollado algunos conceptos generales muy útiles (Ver Anexo 1).

A mayor rugosidad (relativo a la altura promedio de los obstáculos), mayor será la desaceleración del viento cerca de la superficie. Algunos métodos de clasificación general se han desarrollado para cuantificar esta rugosidad de la superficie (Ver Anexo 1). La rugosidad al ser cuantificada en un lugar específico, puede variar en diferentes direcciones; y por lo tanto el perfil de velocidades de viento dependerá de la dirección del viento.

Otro concepto importante es la velocidad de viento potencial, que se define como la velocidad de viento que se observaría en un terreno completamente plano y abierto, típicamente especificado para 10 metros de altura sobre el terreno. La velocidad de viento potencial es básicamente una magnitud de escala media. Debido a su definición, esta no depende de características de rugosidad locales. A través del perfil para terreno abierto y plano, esta velocidad se relaciona con la velocidad de viento a 60 y 100 metros sobre la superficie del terreno. Esta es la cantidad que típicamente se indica en los mapas eólicos.

Siendo esta una cantidad de escala media, es bastante constante a distancias razonable (algunos cuantos kilómetros de distancia horizontal).

Para hallar la velocidad de viento actual (no potencial) en un lugar específico, se deben aplicar correlaciones a la velocidad de viento potencial, la cual dependerá sobre las características de rugosidad del lugar (ver Anexo 1).

(31)

[image:31.612.165.463.68.323.2]

Figura 2. 3 Aceleración del Viento en Pasos de Montaña.

2.3 Cálculo de la Potencia del Viento

La potencia en el viento soplando con una velocidad V a través de un área A perpendicular a V, es:

PVIENTO= ½ φAV3 (watts) Dónde:

Pviento: es la potencia en el viento en watts

φ: es la densidad del aire (aprox. 1.2 Kg/m3₎

V: es la velocidad del viento en m/s

A: es el área perpendicular al viento en m2

(32)

[image:32.612.199.432.80.331.2]

Figura 2. 4 Velocidad del Viento.

En un día con borrasca la velocidad del viento puede variar de 1 a 10 m/s, implicando que la potencia en el viento cambia por un factor de 103 = 1000. Un cambio de esta magnitud no ocurre diariamente, pero si refleja las grandes variaciones que la potencia del viento puede alcanzar en diferentes lugares y escalas de tiempo.

Adicional a la velocidad del viento, la potencia eólica se ve además afectada por variaciones en la densidad del aire, sobre todo si se pretenden realizar instalaciones en zonas montañosas de gran elevación sobre el nivel del mar.

Normalmente, la potencia eólica teórica se da como potencia eólica específica, esto es por unidad de área. Así que:

PVIENTO= ½ φV3 (w/m2)

En la que PVIENTO está expresada en watts por metro cuadrado.

Tomando como referencia la ecuación anterior se sabe que la Energía Disponible es la siguiente:

(33)

Dónde: t = tiempo

No toda la potencia incidente del viento puede ser aprovechada por la turbina eólica, existiendo un límite teórico máximo para la conversión, denominado Límite de Betz, que indica que, como máximo, se puede extraer el 59% de la energía del viento utilizando un aerogenerador de eje horizontal. Este límite se representa mediante un factor denominado Coeficiente de Pérdidas del Rotor o Eficiencia del Rotor (_Cp), con lo que la expresión para la potencia de salida de la turbina eólica es la

Dónde: = Coeficiente de Potencia (<0.59)

La tabla 2.1 muestra la variación de la potencia eólica específica para diferentes valores de velocidad de viento, con la densidad del aire a condiciones estándar a la

altura del nivel del mar (1.2 Kg/m3).

La tabla 2.2 muestra la variación de la densidad del aire para diferentes alturas sobre el nivel del mar y temperatura. Para el cálculo de la potencia eólica a diferentes alturas sobre el nivel del mar, esta deberá ser corregida utilizando el verdadero valor de la densidad según esta tabla. [5]

Tabla 2. 1 Variación de la Potencia Eólica Específica.

Velocidad del viento en m/s Potencia Eólica Especifica en (w/m2)

2 5

3 16

4 38

5 75

6 130

7 206

8 307

9 437

10 600

11 800

(34)

Tabla 2. 2 Densidad del Aire a Diferentes Alturas Sobre el Nivel del Mar.

Altura sobre el nivel del mar(m) Densidad de aire seco en Kg/m3 a:

20°C 0°C

0 1.204 1.292

500 1.134 1.217

1,000 1.068 1.146

1,500 1.005 1.078

2,000 0.945 1.014

2,500 0.887 0.952

3,000 0.883 0.894

3,500 0.781 0.839

4,000 0.732 0.786

2.3.1 Distribución de Weibull

Las variaciones temporales de la velocidad del viento pueden ser descritas a través de una función de distribución probabilística llamada distribución de Weibull que se basa en que, en la mayoría de los lugares, las mediciones de largo plazo muestran que los vientos extremadamente fuertes son poco frecuentes mientras que aquellos moderados y frescos son más comunes.

La función de densidad de Weibull está dada por la ecuación:

Dónde:

= Velocidad del Viento (m/s)

= Factor de Forma de Weibull (adimensional) = Factor de Escala de Weibull (m/s)

La siguiente ecuación relaciona los dos parámetros de Weibull:

̅

Donde:

̅ = Velocidad promedio del viento

(35)

En base a lo anterior, es posible describir una distribución de Weibull usando sólo la

velocidad promedio del viento y el factor de forma de Weibull .

El parámetro indica la amplitud de la distribución de velocidades de viento.

Basándose en la Norma IEC 61400-1 se tiene entonces que = 2 y una componente

vertical de viento de 8° como máximo, un valor más grande requeriría un análisis más profundo.

2.3.2 Patrón Diario y Autocorrelación

La Fuerza del Patrón Diario es una medida de la dependencia entre la velocidad del viento y la hora del día. Debido a que el viento típicamente está afectado por la irradiación solar, la mayoría de los lugares muestran algún patrón diario del mismo. Para medir este factor se debe obtener el perfil diario promedio, que son los 24 valores de velocidad media anual del viento para cada hora del día.

Una vez obtenido el perfil diario promedio se realiza un ajuste sinusoidal a dicho perfil, en base a una función coseno. La Figura 2.5 muestra un patrón diario promedio junto con la función sinusoidal que mejor se ajusta al mismo. La función coseno ajustada al patrón diurno promedio es de la forma:

Figura 2. 5 Patrón Diario y Curva Sinusoidal de Ajuste.

(36)

una serie fuertemente autocorrelacionada, el valor a una cierta hora está fuertemente influenciado por los valores en las horas previas, como en la Figura 2.8. Ambas

figuras tienen la misma velocidad promedio y el mismo parámetro k, difiriendo sólo

en la autocorrelación.

Figura 2. 6 Serie de Datos de Velocidad del Viento sin Autocorrelación (r1=0).

Figura 2. 7 Serie de Datos de Velocidad del Viento sin Autocorrelación (r1=0.96).

El factor de autocorrelación es una medida de cómo depende la velocidad del viento en una hora de la velocidad del viento en las horas previas. Los patrones diarios del viento tienden a complicar la función de autocorrelación. A continuación se muestra un gráfico de la función de autocorrelación de una serie de datos del viento.

(37)

Figura 2. 9 Función de Autocorrelación de una Serie de Datos de Viento sin Perfil Promedio Diario.

Para simplificar las características diario de autocorrelación del viento, se restan los valores del patrón promedio diario a la serie de datos para cada hora del año, resultando una serie con una velocidad promedio de 0 m/s y sin patrón diario. La función de autocorrelación de esta nueva serie de tiempo típicamente no muestra oscilación, como se muestra en la Figura 2.9, observándose que dicha función cae rápidamente en forma exponencial, por lo que se puede aproximar que:

Donde _rjes la autocorrelación entre dos series horarias separadas por un retraso

de j horas. Se puede calcular _rjpara distintos valores de j y obtener una

función conocida como la función de autocorrelación.

Entonces se puede usar el parámetro r1 para describir el grado de autocorrelación.

Este valor se llama factor de autocorrelación de los datos de viento, en el programa de computadora HOMER se utiliza un Factor de Autocorrelación de 0.85.

2.4 Información Necesaria para Evaluar el Uso de la Energía Eólica

(38)

Adicionalmente, se mencionan los diversos métodos de adquirir y colectar datos meteorológicos de manera generalizada a escala regional o nacional.

Datos Meteorológicos Requeridos

La información necesaria para evaluar la aplicación de sistemas de conversión de la energía eólica, es:

 Velocidad de Viento Promedio Anual: La velocidad de viento promedio por

un periodo largo puede ser utilizada como una primera indicación de la viabilidad de uso de la energía eólica.

 Variaciones Estacionales: Datos sobre variaciones estacionales de la

velocidad de viento (normalmente presentada como promedios mensuales de velocidad de viento son de importancia para estimar la variación estacional de entrega de energía, y así determinar el mes de diseño critico (v.g.: mes de menor energía eólica disponible) para la instalación que se desea.

 Variaciones Diurnas: Variaciones a lo largo del día pueden tener influencia en la viabilidad de uso de la energía eólica. En lugares que poseen una velocidad de viento baja durante las 24 horas del día, la viabilidad de uso será dudosa. Se puede estudiar los dos ejemplos que siguen; en una región o lugar donde la intensidad del viento es baja durante 16 horas al día, pero presenta vientos de 6 m/s las restantes 8 horas del día, una aplicación eólica puede ser económicamente viable. En otro caso puede ser que a lo largo de las 24 horas del día se registran vientos que no exceden los 2 m/s, en los dos casos presentados, la velocidad promedio diaria no excede los 2 m/s.

 Borrascas, vientos extremos: Datos sobre borrascas y vientos de muy alta

intensidad son necesarios para determinar las máximas velocidades de viento en las cuales cualquier equipo de conversión de energía eólica puede ser capaz de aguantar sin presentar daño.

(39)

baterías o tanques de almacenamiento de agua para suplir suministro de energía cuando el equipo eólico no se encuentre en operación.

 Distribución de Frecuencia de Velocidades de Viento: Para realizar un

estimativo adecuado de la probable producción de energía de cualquier equipo eólico, la distribución de frecuencia de la velocidad de viento (porcentaje del tiempo en que una velocidad de viento dada ocurre en el año) es de gran utilidad.

Una fuente natural de información son los registros de viento realizados por el servicio nacional de meteorología (IDEAM, antiguo HIMAT) pero esta información debe ser estudiada con extremo cuidado. Muchas veces, el servicio meteorológico recauda información eólica en aeropuertos y los datos son colectados a 10 metros de altura sobre la superficie; o en otros casos, la medición de viento es realizada con fines agrometeorológicos y no energéticos, en medio de poblaciones con sistemas anticuados (descalibrados) y mal localizados con respecto al viento.

Así pues, al estudiar los registros meteorológicos, es típico encontrar en el mejor de los casos, en la mayoría de las estaciones, promedios anuales de velocidad de viento entre 2 y 3 m/s los cuales quizás no corresponden a la condición real de viento en la región, ya que como se mencionó anteriormente, la ubicación de la estación meteorológica y/o el tipo de registradores no son los más adecuados para medir el recurso eólico. En consecuencia, no se puede planificar ningún tipo de proyecto eólico con base a esta información histórica, a menos que se verifique su precisión, la cual generalmente, es una dificultad adicional.

(40)

evaluación de los parámetros meteorológicos; el recurso eólico, por su propia naturaleza, tiene un comportamiento especifico en el lugar y presenta variaciones espaciales substanciales. Esto quiere decir que al realizar mediciones puntuales en un sitio, las magnitudes de la velocidad de viento y su dirección, en una distancia de 100 metros, pueden ser diferentes, sin embargo puede existir una variación numérica proporcional entre sus magnitudes y su comportamiento, en general.

La adecuada determinación de la variación del recurso eólico en un año permite dimensionar el tamaño del equipo eólico para un requerimiento dado de energía. Al mismo tiempo, al conocerse los períodos largos de calma, se identificará la necesidad de almacenamiento de energía durante varios días, o en su defecto la necesidad de instalar un sistema alterno de generación como un sistema fotovoltaico o un equipo diésel asociado para el suministro confiable de energía. Así pues, la estrategia que se utilice para evaluar el recurso estará acorde con las necesidades energéticas del lugar, ya que al requerirse entrega de energía para una población pequeña, el nivel de sofisticación de la evaluación será mayor, al compararse con la necesidad de entregar energía a pequeños consumidores individuales. Esto traduce que, para instalar pequeños sistemas eólicos individuales, un estimativo cercano a la velocidad promedio anual de viento en el lugar será suficiente y menos costoso que un programa detallado de evaluación.

2.5 Métodos Utilizados para Medir la Velocidad del Viento

Estimaciones del recurso eólico se basan en algunas estrategias útiles como son: Colección de información de manera empírica, anemómetros totalizadores, por factores de correlación, instalación de pequeños equipos eólicos o por adquisición de datos meteorológicos en tiempo real.

2.5.1 Información Empírica

(41)

[image:41.612.92.523.199.437.2]

región aportan valiosa información en la identificación de lugares con altos niveles de velocidad de viento. Por ejemplo, la constante incidencia del viento en los árboles a lo largo del tiempo, o sobre la vegetación, hacen que estos crezcan inclinados en la dirección predominante del viento (Figura 2.10 ilustra la deformación causada en árboles de pino por la incidencia permanente del viento y su relación con la velocidad promedio anual esperada).

Figura 2. 10 Deformación por la Incidencia Permanente del Viento.

(42)

[image:42.612.77.547.88.312.2]

Tabla 2. 3 Escala de Beaufort para la Intensidad de Viento.

Numero Beaufort

Velocidad de Viento (m/s)

Efectos observados en tierra 0 0 - 0.2 Calma, humo haciende verticalmente.

1 0.3 – 1.5 El humo indica la dirección del viento, aspas de molinos no se mueven.

2 1.6 – 3.3 Se siente el viento en la cara; se mueven las hojas de los arboles; aspas de molinos se empiezan a mover.

3 3.4 – 5.4 Hojas y ramas pequeñas se mueven constantemente; banderas livianas se extienden.

4 5.5 – 7.9 Polvo, hojas y papel en el piso se levanta; ramas se mueven. 5 8.0 – 10.7 Pequeños arboles comienzan a bambolear.

6 10.8 – 13.8 Ramas grandes de los árboles en movimiento, silbido emana de cuerdas.

7 13.9 – 17.1 Todo el árbol se mueve; resistencia fuerte al caminar contra el viento.

8 17.2 – 20.7 Ramitas y ramas de los árboles se rompen; caminar es difícil.

Análogamente, la presencia de algunos molinos de viento instalados años atrás, dan un verdadero indicio de que el lugar presenta un régimen adecuado de viento, para profundizar en su evaluación. Es claro que la información empírica, así recogida, no permite conocer un valor aproximado de velocidad promedio anual del viento, pero si permite identificar sitios para futura evaluación del recurso. [5]

2.5.2 Anemómetros Totalizadores

(43)

pasado 16.2 Km. de viento; la velocidad horaria será de 16.2 Km. por hora (4.5 m/s promedio horario).

[image:43.612.248.381.259.449.2]

La dificultad de este sistema radica en que el anemómetro deberá estar localizado en un lugar donde las condiciones sean limpias, con muy pocos obstáculos alrededor; y están a 10 metros de altura sobre la superficie del terreno. Así pues al realizarse la lectura, el visualizador del odómetro deberá estar localizado muy cerca del suelo, ya que las torres para la instalación de anemómetros, por lo general, no son lo suficientemente robustas para sostener el peso de una persona que ascienda para realizar las lecturas.

Figura 2. 11 Anemómetro de Recorrido.

Con la recopilación de esta información totalizada y con promedios de velocidad de viento, se caracteriza formalmente el régimen de vientos presente en un lugar, identificándose con gran certeza las variaciones tanto diurnas como mensuales o estacionales.

(44)

2.5.3 Método de Correlación

Este método de estimación, permite combinar mediciones realizadas en un lugar específico, con registradores de velocidad de viento de cualquier tipo; con los datos publicados y suministrados por el servicio de meteorología en estaciones aledañas al lugar.

Se puede realizar mediciones de viento por un período corto de tiempo en un lugar (por ejemplo: algunos cuantos meses) y al comparar con datos obtenidos, simultáneamente, en una estación meteorológica cercana al lugar se pueden producir coeficientes numéricos de proporcionalidad a través de comparar los valores promedios medidos (diurnos y/o mensuales) con los datos publicados por el servicio de meteorología. Si se da una buena correlación (Consistentes y similares valores numéricos), por ejemplo, con promedios mensuales de viento, y se cuenta con varios años de información meteorológica, se aproximará mucho más a una estimación real del potencial eólico en el lugar. También se podrá realizar una ponderación de los coeficientes numéricos, cuando la correlación no es tan directa, al comparar mes a mes, así que los valores obtenidos permitan tener mayor certidumbre en la toma de decisión de una instalación eólica.

En este método de correlación, deberá tener en cuenta las variaciones de la dirección del viento, ya que pueden existir factores de correlación para diferentes direcciones del viento. [5]

2.5.4 Instalación de Pequeños Equipos Eólicos

(45)

resultado dual (medición de vientos y generación de energía) para la evaluación del recurso en un lugar seleccionado. Claro está, que la selección del lugar donde debe estar instalado el equipo eólico se basa en el conocimiento empírico del régimen de vientos de los habitantes del lugar, ó de la característica de la vegetación alrededor del lugar. [5]

2.5.5 Adquisición de Datos en Tiempo Real

Este método de evaluación es el más confiable y al mismo tiempo costoso para análisis del recurso. La oferta de equipos de adquisición de datos es cada vez mayor, y fundamentalmente consiste de una pequeña computadora que almacena la información permanentemente, dependiendo de la necesidad del usuario, de manera que se pueden registrar promedios meteorológicos desde el rango de segundos hasta horas en las variables correspondientes.

Entre más precisa, (promedio en tiempo menor y registros de memoria extendida) hacen que el equipo sea más costoso. La mayoría de los equipos de adquisición de datos comerciales vienen provistos con almacenamiento de memoria removible e intercambiable, con capacidad de acumular información hasta por seis meses continuos de registro. Algunos equipos, por otro lado, permiten extraer la información a través de telefonía celular desde cierta distancia hasta el lugar donde se está realizando la evaluación del recurso. Como tal, los resultados de una evaluación con esta metodología garantizan un preciso y adecuado dimensionamiento de equipos eólicos para suministro de energía.

En una primera instancia y al recurrir a cualquier método de medición del recurso eólico, se recomienda utilizar registradores que permitan conocer la velocidad promedio del viento en períodos de una hora, a lo largo de por lo menos un año de medición. Esta información permitirá conocer variaciones diurnas, velocidades máximas, variaciones estacionales y la velocidad promedio anual del viento, sobre la base de datos horarios.

(46)

2.6 Tipos de Aerogeneradores

2.6.1 Según el Eje del Rotor

2.6.1.1 Eje vertical

Sus principales ventajas son que no necesita un sistema de orientación al ser omnidireccional y que el generador, multiplicador, etc., son instalados a ras de suelo, lo que facilita su mantenimiento y disminuyen sus costos de montaje. Sus desventajas frente a otro tipo de aerogeneradores son sus menores eficiencias, la necesidad de sistemas exteriores de arranque en algunos modelos, y que el desmontaje del rotor por tareas de mantenimiento hace necesaria que toda la maquinaria del aerogenerador sea desmontada.

2.6.1.2 Eje horizontal

En la actualidad la gran mayoría de los aerogeneradores que se construyen conectados a red son tripalas de eje horizontal. Los aerogeneradores horizontales tienen una mayor eficiencia energética y alcanzan mayores velocidades de rotación por lo que necesitan caja de engranajes con menor relación de multiplicación de giro, además debido a la construcción elevada sobre torre aprovechan en mayor medida el aumento de la velocidad del viento con la altura.

Los modelos de eje horizontal puede subdividirse a su vez por el número de palas empleado, por la orientación respecto a la dirección dominante del viento y por el tipo de torre utilizada, como son:

 Tripala

(47)

[image:47.612.249.376.469.656.2]

Figura 2. 12 Aerogenerador Tipo Tripala.

 Torres Tubulares

Consisten en grandes tubos de acero de forma tubular o cónica que ofrecen en su interior espacio para los equipos de suelo y para el acceso a resguardo hacia la góndola. Necesitan de una instalación más laboriosa y cara, pero ofrecen una mayor resistencia y menos mantenimiento necesario que las torres de celosía. Son las más empleadas en equipos de generación de energía.

(48)

2.6.2 Según Potencia Suministrada

2.6.2.1 Equipos de Baja Potencia

Históricamente son los asociados a utilización mecánica como bombeo del agua, proporcionan potencias alrededor del rango de 50 kW, aunque pueden utilizarse varios equipos adyacentes para aumentar la potencia total suministrada. Hoy en día siguen utilizándose como fuente de energía para sistemas mecánicos o como suministro de energía en equipos aislados.

También se utilizan en grupo y junto con sistemas de respaldo como motores de gasolina para suministro de energía de zonas rurales o edificios, ya sea conectándose a red o con baterías para almacenar la energía producida y garantizar la continuidad de la cobertura energética.

2.6.2.2 Equipos de Media Potencia

Son los que se encuentran en el rango de producción de energía de 150 kW. Son utilizados de forma similar a los equipos de baja potencia pero para mayores requerimientos energéticos. No suelen estar conectados a baterías de almacenamiento, por lo que se utilizan conectados a red o junto con sistemas de respaldo.

2.6.2.3 Equipos de Alta Potencia

(49)

2.7 La Energía en el Viento: Densidad del Aire y Área de Barrido del Rotor

[image:49.612.251.375.197.370.2]

Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) actuando sobre la palas del rotor. La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área del barrido del rotor y de la velocidad del viento.

Figura 2. 14 Área del Barrido del Rotor.

2.7.1 Densidad del Aire

La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen.

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2.7.2 Área de Barrido del Rotor

Un aerogenerador típico de 1MW tiene un diámetro de rotor de 54 metros, lo que

supone un área del rotor de unos 2.3 m2_{. El área del rotor determina cuanta energía}

del viento es capaz de capturar una energía eólica. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor, una turbina que sea dos veces más grande recibirá cuatro veces más energía.

2.8 Partes Básicas de un Sistema Eólico Pequeño para Generación de Electricidad

Estos sistemas por lo general están compuestos por un rotor, un generador o alternador montado en una estructura, una cola (usualmente), una torre, el cableado,

y los componentes del “sistema de balance”: controladores, inversores y las baterías.

[image:50.612.187.433.407.633.2]

A través del giro de los alabes la turbina convierte la energía cinética del viento en un movimiento rotatorio que acciona el generador.

(51)

Figura 2. 16 Componentes Básicos de un Sistema de Generación Eólico

2.8.1 Turbina Eólica

Las turbinas eólicas son dispositivos que convierten la energía cinética del viento en energía rotacional mecánica y luego en energía eléctrica. La conversión de energía cinética del viento a energía rotacional se logra mediante un mecanismo de sustentación aerodinámica. [10]

En la actualidad, las micro-turbinas eólicas son la tecnología de generación más económica respecto a otras fuentes de Energías Renovables no Convencionales [13]. Además, la mayoría de las turbinas fabricadas son de eje

horizontal y son de las llamadas “corriente viento arriba” y cuentan con dos o tres alabes, los cuales por lo regular están fabricados con materiales compuestos, tales como fibra de vidrio y son también las que tienen mayor penetración en el mercado, lo que implica una estandarización relativa de precios y calidad.

La cantidad de electricidad que una turbina puede generar, está determinada en una

primera instancia, por el diámetro del rotor. Este parámetro define su “área de