SITUACION ACTUAL DE LA ENERGIA EOLICA EN MEXICO

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS “

SITUACIÓN ACTUAL DE LA ENERGÍA

EÓLICA EN MÉXICO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO

DE INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA

AGUILAR AGUILAR FRANCISCO GABRIEL

ASESOR: M.C. RENE TOLENTINO ESLAVA

F. Gabriel Aguilar

Principalmente agradezco el apoyo de mi familia que fue primordial para llegar hasta este momento de mi carrera profesional.

A mi padre Francisco Javier Aguilar Aguilar por su confianza y su trabajo continúo para apoyarme.

Sin lugar a duda le agradezco a mi compañero de tesis Felipe de Jesus Sandoval Valdez el esfuerzo, dedicación y consistencia en la construcción de este trabajo final.

RESUMEN i

OBJETIVO GENERAL Y OBJETIVOS PARTICULAES iii

INTRODUCCIÓN iv

CAPÍTULO 1. GENERACIÓN ELÉCTRICA EN MÉXICO 1

1.1 El Sistema Eléctrico Nacional 2

1.2 Generación Eléctrica por Fuentes Convencionales 4

1.2.1 Termoeléctricas 4

1.2.2 Hidroeléctrica 8

1.2.3 Nuclear 12

1.3 Generación Eléctrica por Fuentes Alternas 15

1.3.1 Eólica 16

1.3.2 Solar 18

1.3.3 Biomasa 20

CAPÍTULO 2. GENERACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA 21

2.1 Características del Viento 22

2.1.1 Dirección y velocidad del viento 24

2.1.2 Medición de la dirección y velocidad del viento 26

2.2 Aerogeneradores 28

2.3 Clasificación de los Aerogeneradores 35

2.3.1 Clasificación por el eje de trabajo 35 2.3.2 Clasificación por el número de palas 38

2.3.3 Clasificación según el tamaño 40

2.4 Sistemas de Seguridad 41

CAPÍTULO 3. CAPACIDAD EÓLICA INSTALADA EN MÉXICO 49

3.1 Zonas con Potencial Eólico en México 50

3.2 Potencial de Aplicación en México 54

3.2.1 Región centro 54

3.2.2 Región sur 55

3.2.3 Región norte 55

3.3 Aplicaciones del Potencial Eólico Generado en México 57

3.3.1. Central eólica La Venta, Oaxaca 58

3.3.2. Central eólica La Venta II, Oaxaca 60

3.3.3 Central Eólica Guerrero Negro 62

3.4 Proyectos de Centrales Eólicas por Inversión Nacional y Privada 62

3.4.1 Proyectos por inversión nacional 62

3.4.2 Proyectos por inversión privada 64

CAPÍTULO 4. PROBLEMAS Y SOLUCIONES DE LA GENERACIÓN

EÓLICA EN MÉXICO 67

4.1 Problemas Ambientales 68

4.2 Problemas de Política Energética 73

4.3 Problemas Eléctricos 77

4.4 Problemas con las Dimensiones del Aerogenerador 79 4.5 Soluciones para Aprovechar la Generación de

Energía Eólica en México 81

CONCLUSIONES 85

BIBLIOGRAFÍA 86

RESUMEN

Se realizó un estudio sobre el estado actual de la generación de energía eólica en México, en donde se incluyeron las fuentes de generación convencionales y fuentes alternas, en las fuentes convencionales se investigaron las siguientes: hidroeléctrica, termoeléctrica, nucleoeléctrica y geotermoeléctrica; así como el proceso de generación de cada una de ellas. En las fuentes alternas se encuentran la energía solar, energía por biomasa y la energía eólica, en esta última se profundizó en su estudio, debido a la necesidad que hay en todo le mundo de reducir los contaminantes que han provocado los cambios climatológicos y en particular en México de reducir la contaminación ambiental que a cada día se ha incrementado.

La generación eléctrica en México con fuentes alternas no ha tenido gran desarrollo, hasta junio del 2007 de acuerdo a datos de la CFE se tuvo una capacidad instalada de 0.17% de energía eólica y por el tipo de fuentes de generación la eólica ocupa solo el 0.10% mientras que la generación por hidrocarburos ocupa el 43.61%; mas el 29.46% generada por productores independientes también por medio de hidrocarburos. La energía hidroeléctrica ocupa el 10.81% en cuanto al tipo de fuente de generación se refiere y el 22.16% en cuanto a capacidad instalada, mientras que México cuenta con zonas en donde se puede aprovechar el potencial eólico para generar energía eléctrica a través de este recurso natural que es el viento.

Este trabajo contiene información sobre la central eólica La Venta I y La Venta II ubicadas en Oaxaca, así como los planes a futuro que se tienen para este estado; como es en el Istmo de Tehuantepec y la implementación de las centrales La Venta III, IV, V, y La Venta VI que podrán alcanzar la cifra de 3000 MW de acuerdo a estudios hechos por la CONAE y otros proyectos que la iniciativa privada tiene, como el caso de CEMEX que empezó a construir en el verano de este 2007 una central eólica que estará ubicada en el mismo estado con una

capacidad de generación de 250 MW, para autoabastecimiento propio de la compañía y los excedentes de la generación serán vendidos a la CFE. Otro proyecto es el de la central eólica de Nuevo León en la que participa en su desarrollo el Dr. Oliver Probst del Tecnológico de Monterrey y el proyecto es ofrecido por la compañía Energy and Water Services Multinacional.

En México se ha dado un gran paso al pasar de 2 MW a 85.48 MW generados a través de energía eólica, pero urge que las instituciones mexicanas encargadas de la generación, distribución y manejo de la energía en México, establezcan las normas necesarias para que se pueda seguir implementando este tipo de proyectos.

Este tipo de generación presenta problemas más que del tipo técnico y eléctrico, problemas del tipo de política energética y regulatoria ya que no se han llevado a cabo las iniciativas que pueden otorgar los instrumentos regulatorios necesarios a la CRE para enfrentar los monopolios, eficientar el mercado y obtener la autonomía de gestión y financiera para llevar a cabo su cometido.

OBJETIVO GENERAL

Realizar un estudio sobre el estado actual de la generación de energía eólica en México

OBJETIVOS PARTICULARES

¾ Conocer la capacidad de generación eléctrica del Sistema Eléctrico Nacional

¾ Comprender el principio de generación de la Energía Eólica ¾ Investigar las aplicaciones de Energía Eólica en México

¾ Mencionar los problemas y soluciones que se presentan en la generación de energía eléctrica por medio de energía eólica

INTRODUCCIÓN

En la actualidad más del 50 % de la potencia eléctrica generada proviene de la combustión de combustibles fósiles; los cuales se ven afectados por los precios de los mismos, además de la problemática con la contaminación ambiental que se ha venido manifestando frecuentemente en los cambios de clima.

La necesidad de cuidar el medio ambiente y reducir la dependencia de los hidrocarburos que se emplean para generar energía eléctrica, en estos momentos es necesario la aplicación de tecnologías en fuentes alternas, con las cuales se podría reducir los niveles de emisiones contaminantes, asociados con el consumo de combustibles fósiles y garantizar el suministro energético de la humanidad por generaciones con las tecnologías existentes y que son comerciales.

Es necesario ahora ver los recursos con los que cuenta el País para generar energía eléctrica con procesos que no contaminen en exceso, que presenten ventajas en el proceso de transmisión eléctrica y que sean aprovechables en años futuros.

Con el presente trabajo se pretende mostrar la situación actual para la generación de la energía eólica en México, desde su transformación, su aplicación y sus problemas tanto ambientales, eficiencia en la captación del viento y los sociales. Esto es debido a la urgencia que existe en generar energía eléctrica en el País, ante la creciente demanda de la misma y frente al problema en un futuro respecto a la escasez de combustibles fósiles.

El desarrollo del estudio se dividió en cuatro capítulos, la investigación se basa principalmente en los datos proporcionados por CFE y empresas privadas generadoras de energía eléctrica. En el primer capítulo se presenta el principio de funcionamiento, capacidad instalada y generación de la energía eléctrica en México, de las centrales Hidroeléctricas, Termoeléctricas, Nuclear por el lado de

las fuentes convencionales y Eólica por parte de las fuentes alternas dentro de las cuales se incluyen también la solar y biomasa.

En este capítulo 2 “Generación de energía eólica” se muestra como se obtiene la energía eólica y su transformación en energía eléctrica, incluyéndose las características del viento principalmente su dirección y velocidad por ser indispensables para la ubicación de las centrales eólicas. También se presentan los sistemas que integran a los aerogeneradores como son el eléctrico y mecánico, la estructura que soporta el aerogenerador y los tipos de terreno donde pueden establecerse las centrales eólicas. Finalmente, se mencionan la de clasificación de los aerogeneradores.

El capítulo 3 se muestra las zonas con potencial eólico aprovechable en México, en la zona sur, centro y norte del País. También se incluye la información de las centrales eólicas de Guerrero Negro, La Venta y La Venta II. Además se hace mención sobre los proyectos más importantes por parte del sector público y sector privado, así como los nombres de las empresas interesadas en invertir en el sector de generación de energía eléctrica, para el aprovechamiento de la energía eólica.

Finalmente en el capítulo 4 se presentan los problemas en la generación de energía eólica en México como son ambientales, políticos, eléctricos y los del crecimiento de las dimensiones de los aerogeneradores, ya que son obstáculos para el desarrollo de esta fuente de energía renovable. También se mencionan algunas soluciones a los problemas que surgen al utilizar energía eólica.

La energía eólica puede ser utilizada como una oportunidad de generación de energía eléctrica en México, en el territorio nacional se encuentran varios lugares con las características necesarias para la instalación de centrales eólicas. La integración de centrales eólicas se lleva a cabo por inversión privada, esta es una opción momentánea ya que no se cuenta con la tecnología necesaria en el país.

ESIME ZACATENCO vi

CAPÍTULO 1. GENERACIÓN ELÉCTRICA EN MÉXICO

En este capítulo se presenta el principio de funcionamiento, capacidad instalada y generación de la energía eléctrica en México, de las centrales Hidroeléctricas, Termoeléctricas, Nuclear por el lado de las fuentes convencionales y Eólica por parte de las fuentes alternas dentro de las cuales se incluyen también la solar y biomasa.

1.1. El Sistema Eléctrico Nacional

La generación de energía eléctrica en México la realiza la Comisión Federal de Electricidad (CFE); esto través de centrales hidroeléctricas, termoeléctricas, eólicas y nucleares que abastecen la demanda de los consumidores en la mayor parte del territorio nacional. Hasta junio del 2007, la CFE contaba con una capacidad efectiva instalada para generar energía eléctrica de 49 834.29 MW [16], distribuida de la siguiente manera:

11 456.90 MW de productores independientes (Termoeléctricas). 11 044.98 por Hidroeléctricas.

22 322.56 MW generados por Termoeléctricas de CFE. 2 600.00 MW correspondientes a Carboeléctricas. 959.50 MW proporcionados por Geotermoeléctricas. 1,364.88 MW que corresponden a la Núcleoeléctrica. 85.48 MW de centrales Eólicas.

En la figura 1.1 se presenta los porcentajes de capacidad efectiva instalada por tipo de Generación.

EOLOELÉCTRICA 0,17%

PRODUCTORES INDEPENDIENTES 22,99%

HIDROELÉCTRICA 22,16%

CARBOELÉCTRICA 5,22%

GEOTERMOELÉCTRICA 1,93%

NUCLEOELÉCTRICA 2,74%

TERM OELÉCTRICA 46,12%

FIGURA 1.1 CAPACIDAD EFECTIVA INSTALADA POR GENERACIÓN DE CFE JUNIO 2007, [16].

Es de importancia mencionar que los combustibles usados para la generación de electricidad son muy variados y los hidrocarburos en este momento son los más utilizados. En la figura 1.2 se muestra en porcentajes la generación eléctrica por tipo de fuente que maneja el Sistema Eléctrico Nacional.

PRODUCTORES INDEPENDIENTES 29,46%

HIDRÁULICA 10,81%

HIDROCARBUROS 43,51%

GEOTERMIA 3,33% CARBON 8,63%

EÓLICA 0,10%

NUCLEAR 4,61%

FIGURA 1.2 GENERACIÓN POR TIPO DE FUENTE, CFE Y PRODUCTORES INDEPENDIENTES, [16].

Las cifras se deben al objetivo que tiene CFE, el cual es cubrir las necesidades de energía eléctrica que requiere la población, la industria, el comercio y algunos otros servicios con los que cuenta México. Con todo esto la generación de electricidad ha ido aumentando significativamente, en la tabla 1.1 se presenta la evolución desde 1997 hasta el año 2007 de la capacidad y generación de la CFE.

TABLA 1.1 CAPACIDAD Y GENERACIÓN ELECTRICA DE CFE DE 1997 AL AÑO 2007, [16].

CAPACI DAD (MW)

AÑO 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

CFE 33 944 34 384 34 839 34 901 36 236 36 855 36 971 38 422 37 325 37 470 38 387

PIE´S - - - 484 1 455 3 495 6 756 7 265 8 251 10 387 11 457

TOTAL 33 944 34 384 34 839 35 385 37 691 40 350 43 727 45 687 45 576 47 857 49 834

GENERA CION (TWh)

CFE 159.83 168.98 179.07 188.79 190.88 177.05 169.32 159.53 170.07 162.47 78 847

PIE´S - - - 1.20 4.04 21.83 31.62 45.85 45.56 59.43 32 929

TOTAL 159.83 168.98 179.07 190.00 194.92 198.88 200.94 205.39 215.63 221.90 111 777

Actualmente la CFE atiende a más de 128 446 localidades, de las cuales 125 053 son rurales y 3 393 urbanas. Aun cuando el servicio de energía eléctrica llega a 97% de la población, quedan por electrificar 70 945 localidades con un número reducido de habitantes. Clasificados por su nivel de población, son: 2 512 localidades de cien a 2 499 habitantes y 68 433 localidades, con una población menor a cien habitantes.

Como se mencionó Luz y Fuerza del Centro (LyFC) es otra institución que contribuye a la generación de electricidad en la zona centro del País, contemplando que hasta el mes de abril del 2006, LyFC contaba con una capacidad instalada para generar energía eléctrica de 879.33 MW. La aportación es pequeña en comparación con la CFE pero es necesario mencionarlo para comprender el total de la generación eléctrica por el uso de combustibles. La potencia generada por LyFC por forma de generación es:

281.33 MW son de Hidroeléctricas.

224 MW corresponden a Centrales Termoeléctricas. 374 MW son del tipo Turbogas.

1.2. Generación Eléctrica por Fuentes Convencionales

Las centrales eléctricas que utilizan fuentes convencionales son las termoeléctricas, geotermoeléctricas, núcleoeléctricas, carboeléctricas e hidroeléctricas cuyos principios de generación se describen a continuación.

1.2.1 Termoeléctricas

El principio de funcionamiento de una central termoeléctrica se basa en la conversión de energía calorífica en energía mecánica y luego en energía eléctrica. En el proceso de la generación termoeléctrica existen varios tipos de generación, según la forma de la misma se pueden clasificar como sigue:

• Vapor. Con el vapor de agua se produce el movimiento en una turbina que está acoplada al generador.

• Turbogas. Con los gases de combustión se obtiene el movimiento de la turbina acoplada al generador.

• Combustión Interna. En el cual mediante un motor de combustión interna se produce el movimiento del generador eléctrico.

Otra clasificación que se le puede dar a la generación termoeléctrica es por el tipo de combustible primario que las centrales utilizan para la producción del vapor.

• Vapor. Obtenido a base de la combustión del gas natural y diesel.

• Carboeléctrica. La cual para su funcionamiento utiliza carbón.

• Dual. Emplea combustóleo y carbón.

• Geotermoeléctrica. Usa el vapor extraído del subsuelo.

• Nucleoeléctrica. Genera energía por medio de uranio enriquecido.

El funcionamiento de todas las centrales térmicas o termoeléctricas es semejante. El combustible se almacena en depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central pasando a la caldera en la que se realiza la combustión. Esta se emplea para calentar el agua que se encuentra en la caldera y producir el vapor; este con una presión alta, hace girar los álabes de la turbina cuyo eje rotor gira conjuntamente con el rotor de un generador que produce la energía eléctrica. Esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua que vuelve a los tubos de la caldera comenzando el ciclo nuevamente.

El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de enfriamiento. Para minimizar el efecto contaminante de la combustión de carbón sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura y de unos precipitadores electrostáticos que retienen las cenizas. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción donde se mezclan con el cemento.

En la figura 1.3 se presenta el diagrama de una central termoeléctrica para la generación de energía eléctrica, indicando las partes principales que lo integran.

FIGURA 1.3 ESQUEMA GENERAL DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA.

La generación termoeléctrica se lleva a cabo mediante la extracción de vapor y presión alta generado en una caldera convencional, dicho vapor mueve una turbina que está acoplada a su vez a un generador eléctrico.

Las turbinas de vapor se dividen en tres: de contrapresión, extracción y condensación. En turbinas de contrapresión el vapor que sale directamente de la turbina se envía al proceso sin necesidad de contar con un condensador o equipo periférico, como torres de enfriamiento. En las turbinas de extracción y condensación una parte del vapor puede extraerse en uno o más puntos de la turbina antes de la salida al condensador para obtener así vapor al proceso a varias presiones, mientras que el resto del vapor se expande hasta la salida al condensador.

Para finales del 2006 la capacidad efectiva instalada y la generación de cada uno de los tipos de generación termoeléctrica, se presenta en la tabla 1.2.

TABLA 1.2 CAPACIDAD DE GENERACIÓN DE CENTRALES TERMOELÉCTRICAS, [14].

TIPO CAPACIDAD [MW] GENERACION [GWh]

Vapor 12 693.50 26 601

Dual 2 100.00 7 148

Carboeléctrica 2 600.00 9 258

Ciclo Combinado (CFE) 5 203.34 13 942

Ciclo Combinado (productores independientes) 11 456.90 32 929

Geotermoeléctrica 959.50 3 613

Turbogas 2 103.33 445

Combustión interna 222.59 492

Nucleoeléctrica 1 364.88 5 150

TOTAL 38 703.84 99 578

Las centrales de ciclo combinado de los productores independientes son: Mérida III, Hermosillo, Saltillo, Tuxpan II, Río Bravo II, Bajío (El Sáuz), Monterrey III, Altamira ll, Tuxpan III y IV, Campeche, Mexicali, Chihuahua III, Naco Nogales, Altamira lll y lV, Río Bravo III, La Laguna II, Rio Bravo IV, Valladolid III, Tuxpan V y Altamira V.

Las ventajas que presentan este tipo de centrales es que son más económicas en cuanto a construcción teniendo en cuenta el precio por MW instalado, especialmente las de carbón debido a la simplicidad de su construcción y la energía generada de forma masiva. Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más eficientes que una termoeléctrica convencional aumentando la energía eléctrica generada con la misma cantidad de combustible.

Dentro de sus desventajas se tiene el uso de los combustibles fósiles que genera emisiones de gases que contribuyen al efecto invernadero, además de la lluvia ácida. La generación se ve limitada por el hecho de que los hidrocarburos tienen

un límite de reserva. Las emisiones térmicas y de vapor pueden afectar el clima local. Su rendimiento es muy bajo a pesar de haberse realizado grandes mejoras a su eficiencia.

1.2.2. Hidroeléctrica

Las centrales hidroeléctricas en general utilizan la energía potencial del agua para generar energía eléctrica. Se encuentran localizadas en lugares en donde existe una diferencia de altura entre la central eléctrica y el suministro de agua. Las centrales hidroeléctricas se construyen regularmente en los causes de los ríos en donde se forman embalses para el almacenamiento del agua, para lo cuál se construye un gran muro a base de hormigón u otros materiales, el cuál estará apoyado normalmente de una montaña.

Los embalses de agua son conducidos a través de una tubería hasta la turbina que está normalmente al pie de la presa; el agua mueve los cangilones de la turbina, la cual está acoplada al generador. Debido a la energía cinética del agua los cangilones de la turbina se mueven junto con el generador, que convierten la energía cinética en energía eléctrica.

Existen varios tipos de centrales hidráulicas: centrales de regulación, centrales de agua fluyente y centrales de bombeo. Las centrales de regulación se hacen en ríos con caudal irregular para acumular una gran cantidad de agua cuando llueve y soltarla, poco a poco, en periodo de sequía. Además de obtener energía eléctrica, otras dos funciones muy importantes de este tipo de centrales son acumular agua para riego y evitar inundaciones.

Las centrales de agua fluyente se hacen en ríos con un caudal regular y no se embalsa una cantidad de agua grande. Tienen como única función la producción de energía eléctrica. Las centrales de bombeo son centrales especiales que disponen de dos embalses: uno arriba y otro en la parte baja de la central. Al caer el agua produce la energía eléctrica, pero luego esa agua se bombea otra vez

arriba utilizando más energía en comparación con la que se obtuvo al caer. La energía que se emplea en el bombeo es la energía sobrante de las centrales térmicas o nucleares que no se demanda por los consumidores, generalmente por la noche. En la figura 1.4 se aprecia los componentes de una central hidroeléctrica de regulación.

GENERADOR DE C.A.

TRANSFORMADOR DE SUBESTACION ELECTRICA TURBINA

RED AGUA

SUMINISTRO DE AGUA ( PRESA)

FIGURA 1.4 ESQUEMA GENERAL DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA.

La tendencia en las turbinas hidráulicas modernas es utilizar caídas mayores y máquinas más grandes. Según el tamaño de la unidad, las turbinas Kaplan se emplean en caídas de unos 60 m, y en el caso de las turbinas Francis de hasta 610 m. Con el desarrollo de turbinas de hélice normalizadas con ejes casi horizontales, las instalaciones pequeñas han recuperado su atractivo original.

Se han diseñado turbinas que actúan como bombas cuando funcionan a la inversa, invirtiendo el generador eléctrico para que funcione como un motor. Dado que no es posible almacenar la energía eléctrica de forma económica, este tipo de bombas turbina se utiliza para bombear agua hacia los embalses, aprovechando la energía eléctrica generada por las centrales nucleares y térmicas durante las horas de poco consumo. El agua embalsada se emplea de nuevo para generar energía eléctrica durante las horas de consumo elevado. En los últimos años se han desarrollado turbinas para caídas de hasta 650 m y con capacidades de más de 400 MW.

Algunas ventajas de las centrales Hidroeléctricas son:

• No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita.

• Es limpia, pues no contamina el aire.

• Se puede utilizar para otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación (según el caso) y aún ornamentación del terreno y turismo.

• Las obras de ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración considerable.

• La turbina hidráulica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costos de mantenimiento en general reducidos.

También presenta algunas desventajas:

• Los costos de capital por kW instalado son frecuentemente muy altos.

• El emplazamiento, determinado por características naturales, puede estar lejos del centro o centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de electricidad, lo que significa un aumento de la inversión y en los costos de mantenimiento y pérdidas de energía.

• La construcción lleva por lo común largo tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas.

• La disponibilidad de energía puede variar de estación en estación y de año en año.

La generación Hidroeléctrica en México de acuerdo con los datos proporcionados por la CFE ocupa un 21.49% de la generación eléctrica. En el Anexo 1 se presenta un directorio de las centrales hidroeléctricas que existentes en México con el propósito de dar una referencia de la situación en la que se encuentra la generación Hidroeléctrica en México.

Cuando la caída de agua es grande (100 m o más, se utiliza una turbina tipo Pelton) cuya eficiencia está entre 84% y 88%. Cuando los saltos de agua son menores a 100 m es conveniente usar las turbinas Francis que presentan una eficiencia del 94% al 96% o las turbinas Kaplan con una eficiencia del 93% al 95%. Las turbinas Francis se utilizan en caídas de agua cercanas a los 100 m y las Kaplan para caídas aún menores (figura 1.5).

FIGURA 1.5 TIPOS DE TURBINAS PARA PLANTAS HIDROELÉCTRICAS, [31].

1.2.3. Nuclear

El principio utilizado para la generación nuclear es la fisión nuclear. En este tipo de reacción, un núcleo pesado se rompe generalmente en dos fragmentos cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, lo que va acompañado de una emisión de neutrones y radiación gamma con la liberación de una gran cantidad de energía. En el reactor de agua en ebullición que emplea agua ligera como moderador y refrigerante el cual al trabajar a menor presión, alcanza la temperatura de ebullición al pasar por el núcleo del reactor y parte del líquido se transforma en vapor, el cual una vez separado de aquél y reducido su contenido de humedad, se conduce hacia la turbina sin necesidad de emplear el generador de vapor. El combustible utilizado para reacción nuclear es el uranio 233, que se obtiene por captura de un neutrón por un núcleo de torio 232. El núcleo intermedio formado sufre dos desintegraciones beta, dando lugar al U-233.

El circuito primario es estanco y está formado por la vasija del reactor que contiene el núcleo, el presionador y tres lazos, cada uno incorpora un generador de vapor y una bomba principal. El agua desmineralizada que circula por su interior toma el calor producido en el reactor por la fisión nuclear y lo transporta hasta el generador de vapor. En él, un segundo flujo de agua independiente del primero absorbe el calor a través de su contacto exterior con las tuberías por las que circula el agua desmineralizada del circuito primario. El fluido retorna a la vasija del reactor tras ser impulsado por las bombas principales.

El reactor y su circuito de refrigeración están contenidos dentro de un recinto hermético y estanco, llamado contención consistente en una estructura esférica de acero, construida de planchas de acero soldadas de 40 mm de espesor y que se soporta sobre una estructura de hormigón en forma de cáliz que se apoya sobre la losa de cimentación de 3.5 m de espesor. La contención está ubicada en el interior de un segundo edificio de hormigón y cuyas paredes exteriores tienen un espesor

de 60 cm, llamado edificio del anillo del reactor. Este tiene forma cilíndrica y termina en una cúpula semiesférica, que sirve de blindaje biológico.

El funcionamiento del circuito primario se complementa con la presencia de una serie de sistemas auxiliares que aseguran el control de volumen, purificación y desgasificación del refrigerante. La salida al exterior tanto de la radiación como de productos radiactivos es imposible por tres barreras físicas, asegurando cada una de ellas que ante una hipotética rotura de una barrera una posible fuga de radiación sea soportada por las siguientes barreras.

1ª Barrera. Las vainas que albergan el combustible.

2ª Barrera. La propia vasija del reactor integrada en el circuito primario.

3ª Barrera. El recinto de contención, estructura esférica de acero recubierto de hormigón.

En el circuito secundario, el vapor producido en los generadores se conduce al condensador, a través de la turbina que transforma la energía térmica en energía mecánica. La rotación de los álabes de la turbina acciona directamente el alternador de la central y produce energía eléctrica. El vapor de agua que sale de la turbina pasa a estado líquido en el condensador, retornando mediante la ayuda de las bombas de condensado al generador de vapor para reiniciar el ciclo. En la figura 1.6 se aprecia un diagrama para generar electricidad mediante una nucleoeléctrica.

FIGURA 1.6 ESQUEMA GENERAL DE UNA NUCLEOELÉCTRICA.

En México solamente se cuenta con una central Núcleoeléctrica con el nombre de Laguna Verde esta se encuentra ubicada sobre la costa del Golfo de México en el estado de Veracruz. La central consta de 2 unidades, cada una con capacidad de 682.44 MW, equipadas con reactores del tipo Agua Hirviente (BWR-5), y contenciones tipo MARK II de ciclo directo. Desde su operación comercial, una de las unidades ha generado más de 76 MWh y la otra ha generado más de 57 MWh. Ambas unidades representan el 2.85% de la capacidad instalada de CFE (incluye productores externos de energía); con una contribución a la generación del 4.90%. En la tabla 1.3 muestra algunos datos de la central mencionada.

TABLA 1.3 DATOS RELEVANTES DE LA NUCLEOELÉCTRICA LAGUNA VERDE, [17].

NOMBRE DE LA CENTRAL

NÚMERO DE UNIDADES

FECHA DE OPERACIÓN

CAPACIDAD EFECTIVA INSTALADA

[MW]

UBICACIÓN

Laguna Verde 2 29-Jun-1990 1,365 Alto Lucero,

Veracruz

1.3. Generación Eléctrica por Fuentes Alternas

Uno de los grandes problemas de la humanidad es su dependencia de los combustibles fósiles, ya que provocan un fuerte impacto ambiental. El reto está en conseguir que las energías alternativas y renovables sustituyan paulatinamente a esos combustibles. La principal ventaja de las energías renovables es su menor impacto ambiental por que reducen el número de contaminantes a la atmósfera pero además su distribución territorial es más dispersa.

El uso continuo de las energías no renovables ha contribuido al cambio climático que provoca inundaciones, temporales fuertes, periodos de sequía graves, etc. Esto por si sólo sería argumento suficiente para buscar una alternativa menos destructiva, pero además el recuerdo de algunas de las mareas negras que han provocado y su posterior poder devastador obliga a que se busque de forma urgente una solución al problema y que se invierta en investigación y desarrollo de energías limpias. Algunas ventajas de las fuentes renovables son las siguientes:

• No emiten CO2 a la atmósfera y evitan así el proceso de calentamiento

terrestre como consecuencia del efecto invernadero.

• No contribuyen a la formación de lluvia ácida.

• No necesitan sofisticadas medidas de seguridad.

• No producen residuos tóxicos de difícil o imposible tratamiento de eliminación.

• Las energías renovables dañan 31 veces menos la naturaleza.

• Prácticamente son inagotables con respecto al tiempo de vida de un ser humano en el planeta.

Dentro de estos tipos de energía se encuentran: la solar, la eólica (viento), la mini hidráulica (ríos y pequeñas caídas de agua), la biomasa (materia orgánica) y la mareomotriz, principalmente. Las energías renovables ofrecen la oportunidad de obtener energía útil para diversas aplicaciones, y poseen el potencial para

satisfacer todas las necesidades de energía presentes y futuras. Además, su utilización contribuye a conservar los recursos energéticos no renovables y propicia el desarrollo regional.

1.3.1. Eólica

La energía eólica, es aquella que consiste en producir energía eléctrica a partir de la transformación de la energía del viento (energía cinética) en energía mecánica, y después transformándola en energía eléctrica a través de un generador eléctrico. Entre las ventajas se tienen las siguientes:

• Es una energía limpia, sin generación de contaminantes, y es una alternativa interesante al uso de combustibles fósiles.

• Es una energía renovable, por que no se consume, sino que se usa la energía cinética del viento.

• Es utilizable en todo lugar en donde exista un nivel adecuado de vientos, determinado a través de un estudio de la zona.

• En la mayoría de los casos, es una energía que se produce en el lugar donde se va a utilizar, por lo que no se transporta grandes distancias. También es posible generar energía eléctrica para ser distribuida a un número importante de usuarios, de manera similar a la empleada en la distribución de la energía generada actualmente por fuentes no renovables de energía.

• La energía generada, puede ser combinada con otras fuentes de energía renovable, como por ejemplo fotovoltaica ó hidroeléctrica.

Un sistema eólico generalmente consta de los siguientes elementos:

Las aspas. Que son impulsadas por el viento y convierten la energía cinética en energía mecánica; un sistema de orientación del conjunto de aspas, para maximizar el aprovechamiento del viento, el cual calcula la dirección del mismo y envía la información a una unidad de control, la cual modifica la inclinación y la

orientación de las paletas. Un sistema de control y protección que controla la generación y provee un sistema de protección en general; un sistema mecánico multiplicador de la velocidad de rotación, un generador eléctrico para transformar la energía mecánica a energía eléctrica; un medidor bidireccional para medición de la energía generada y la carga a la que está conectado que es lo que está siendo alimentado por el sistema.

La energía eólica está basada en aprovechar el flujo del viento. La cantidad de energía obtenida es proporcional al cubo de la velocidad del viento, lo que muestra la importancia de este factor. Los aerogeneradores aprovechan la velocidad del viento a una velocidad entre 5 m/s y 20 m/s. Con velocidades inferiores a 5 m/s, el aerogenerador no funcionará y si sobrepasa el límite superior debe detenerse, para evitar daños a los equipos. En cuanto al desarrollo de la energía eólica en México, además de la geotérmica la única fuente de energía alterna susceptible de desarrollarse, en zonas de corrientes de viento y a precios no muy elevados que pueden competir, es la energía eólica. En la figura 1.7 se muestra un esquema de la generación de energía eléctrica por medio del viento.

TR A N S F O R M A D O R D E S U B E S T A C IO N E LE C T R IC A

R E D A E R O G E N E R A D O R

V IE N T O

FIGURA 1.7 ESQUEMA PARA GENERAR ELECTRICIDAD POR VIENTO.

En México se tiene las siguientes centrales eólicas: La Venta que se localiza en el sitio del mismo nombre, a unos 30 km al noroeste de la ciudad de Juchitán, Oaxaca, fue la primera planta eólica integrada a la red en México y en América Latina, con una capacidad instalada de 1.575 MW. La central eólica de Guerrero Negro, ubicada en las afueras de Guerrero Negro, Baja California Sur, dentro de la Zona de reserva de la biosfera de el Vizcaíno, tiene una capacidad de 0.600 MW, y consta de un aerogenerador. La central eólica la Venta II es la más reciente y fue inaugurada el 29 de marzo del 2007 este proyecto es el más grande en su estilo y pretende crecer mas en los próximos años, cuenta con una capacidad de generación de 83.3 MW producida por 98 generadores. En la tabla 1.4 se aprecian algunas características de las centrales eólicas mencionadas.

TABLA 1.4 CENTRALES EÓLICAS EN MÉXICO, [11]. NOMBRE DE LA

CENTRAL

NÚMERO DE UNIDADES

FECHA DE OPERACIÓN

CAPACIDAD EFECTIVA INSTALADA

(MW)

UBICACIÓN

La venta II 98 29-03-07 83.3 Juchitán de

Zaragoza Oaxaca

Guerrero Negro 1 02-Abr-1998 0.6 Mulege, Baja

California Sur

La Venta 7 10-Nov-1994 1.575 Juchitán, Oaxaca

1.3.2. Solar

Aunque en México esta generación no se lleva a cabo de manera muy significativa en comparación con la eólica, se presenta una pequeña reseña de ésta. Actualmente, la energía solar está siendo aprovechada para fines energéticos a través de dos vías:

La térmica. Disponen de una gran superficie, para recolectar la radiación solar, por medio de discos o cilindros colectores. Éstos concentran la radiación sobre un punto o línea por la que pasa una tubería en la que circula un fluido (aceite). Estas instalaciones trabajan a media temperatura en donde por medio del calor de la radiación solar se calienta un fluido y produce vapor que se dirige hacia una turbina que producirá la energía eléctrica.

La fotovoltaica. Esta permite la transformación directa de la energía solar en energía eléctrica mediante las llamadas celdas solares. Estas hacen posible la producción de energía eléctrica a partir de la radiación solar a causa al efecto fotovoltaico, un efecto por el que se transforma directamente la energía luminosa en energía eléctrica y que se produce cuando la radiación solar entra en contacto con un material semiconductor cristalino.

En la actualidad la aplicación de la energía solar en México se utiliza en sitios donde su costo y eficiencia, si se adapta a su uso. Normalmente se observa esta aplicación en algunas luminarias de centros comerciales, en algunas casas habitación, pero solo como un refuerzo, en caso de que el suministro eléctrico llegue a faltar o en comunidades donde el suministro energético no tenga posibilidad de llegar. Este tipo de tecnología también es aprovechable y se necesita estudiar a fondo la misma y disminuir los inconvenientes o limitantes que pueda tener para su máxima aplicación.

A través de un esfuerzo del gobierno federal y mediante la participación de instituciones como la CFE, los gobiernos estatales y municipales entre otros, se instalaron en México alrededor de 40,000 sistemas fotovoltaicos, y otros 10,000 por la iniciativa privada, para proveer de electricidad a zonas alejadas de la red eléctrica. Esto permite que miles de pequeños poblados cuenten con iluminación eléctrica durante las noches y en algunos casos con electricidad para bombeo de agua. Igualmente, el uso de estos sistemas se ha generalizado para la comunicación en sistemas de auxilio e iluminación en carreteras federales, para

dar energía a estaciones del sistema de comunicación por microondas y a la telefonía rural.

1.3.3. Biomasa

Se conoce como biomasa a toda materia orgánica de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación natural o artificial. La mayoría de las manifestaciones de la biomasa son idóneas para transformarse en energía útil, tal como la madera y el carbón vegetal, fuentes de energía muy utilizadas aún en gran parte de los hogares del medio rural mexicano.

Los desechos orgánicos, se transforman por procesos metabólicos en compuestos orgánicos aprovechables por medio de energía solar. De ahí la importancia de la vegetación para todo el medio ambiente, pues limpia la atmósfera y libera oxígeno, entre otros beneficios. Con biomasa se puede generar energía térmica (agua o aire caliente, vapor, etc.), energía eléctrica e incluso mecánica mediante el uso de biocarburantes en motores de combustión interna.

En México el desarrollo de este proceso para aprovecharla es muy pobre, ya que se requiere de tecnología avanzada y que en el País es difícil de conseguir. Es poca la información sobre desarrollo de proyectos en esta área pero por ejemplo, en Monterrey, N.L. se desarrolla un proyecto para utilizar el biogás que se produce en el relleno sanitario para generar electricidad. Este capítulo comprendió lo referente al Sistema Eléctrico Nacional (SEN), con el propósito de dar una referencia de lo más reciente sobre la generación eléctrica en México y las diversas formas de lograr la misma. En el siguiente capítulo se presenta la generación eléctrica, mediante la generación Eólica en México, como es la conversión de la energía cinética del viento en energía mecánica y por último su aprovechamiento para generar la energía eléctrica.

CAPITULO 2. GENERACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA

En este capítulo se muestra como se genera la energía eólica y su transformación en energía eléctrica, incluyéndose las características del viento principalmente su dirección y velocidad por ser indispensables para la ubicación de las centrales eólicas. También se presentan los sistemas que integran a los aerogeneradores como son el eléctrico y mecánico, la estructura que soporta el aerogenerador y los tipos de terreno donde pueden establecerse las centrales eólicas. Finalmente, se mencionan la de clasificación de los aerogeneradores.

2.1 Características del Viento

El viento es un fluido en movimiento y en general su movimiento es tridimensional, normalmente sólo se considera la velocidad y dirección de la componente horizontal. En el análisis del viento se suelen considerar diferentes escalas, tal como se muestra en la tabla 2.1.

TABLA 2.1 ESCALAS DEL VIENTO, [6].

Escala de longitud Dimensiones de la

escala (km) Ejemplos

Planetaria Sinóptica Meso escala Escala pequeña 000 . 5 ± 000 . 1 ± 75 ± <5

Celda de Hadley Ciclones de media latitud

Tormentas y brisas Turbulencias

Cada escala presenta unos procesos atmosféricos propios e identificables. En general para tratar aspectos de energía eólica se emplean criterios a nivel de meso escala y de pequeña escala. La atmósfera se puede dividir en cuatro partes que son en orden ascendente: troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera. La troposfera o capa inferior es en la que tiene lugar los llamados fenómenos meteorológicos, siendo esta la interesante desde el punto de vista de las instalaciones eólicas, alcanza una altitud comprendida entre los 8 km (en los polos) y los 18 km (en el ecuador). Contiene el 70% del peso total de la atmósfera y en ella existe un gradiente de temperatura del orden de 6,5 °C/km.

Para el análisis del viento en una zona determinada conviene que se considere el clima existente definido, éste como el conjunto de condiciones atmosféricas que caracterizan una región. El clima se deduce principalmente por el estado medio de la atmósfera. Los principales elementos constituyentes del clima son: la radiación solar, que incide en forma fundamental en la temperatura, de la que se tiene en cuenta la máxima, la mínima la temperatura media, así como la amplitud u oscilación térmica en distintos periodos de tiempo; la precipitación, de la que se

registra su cantidad, naturaleza, persistencia e intensidad y su distribución estacional.

Las variaciones estaciónales son debidas al ángulo de inclinación del eje relativo de la tierra y por lo tanto su posición con respecto al sol. Esto es lo que rige el comportamiento a nivel macro y de ahí se pueden estimar algunos sitios como los mas probables ventosos como los hemisferios y lugares cercanos. Los factores que determinan el comportamiento de los vientos a nivel micro son la topografía del lugar, altura, fricción sobre la superficie, montañas, diferencias de temperaturas entre el día y la noche.

El viento es provocado por las diferencias de temperaturas existentes al producirse un calentamiento desigual de las diversas zonas de la tierra y de la atmósfera. Las masas de aire más caliente tienden a ascender, y su lugar es ocupado entonces por las masas de aire circundante, más frío y por tanto, más denso. Se denomina propiamente viento a la corriente de aire que se desplaza en sentido horizontal, reservándose la denominación de corriente de convección para los movimientos de aire vertical.

Para las aplicaciones eólicas el conocimiento de la presión atmosférica resulta de vital importancia. Esta es la presión que ejerce la atmósfera sobre los cuerpos sumergidos en ella. El aire frío pesa más que el aire caliente y éste es uno de los factores que influyen en las diferencias de presión atmosférica a un mismo nivel. Los anticiclones y las tempestades generan corrientes de aire en sentido vertical que modifican sustancialmente el valor de la presión atmosférica, circunstancia que afecta de forma notable la potencia de generación de un aerogenerador, ya que la dirección y velocidad del viento cambia de forma inestable.

La tierra funciona como una gran máquina térmica que transforma parte del calor solar en energía cinética del viento. En la figura 2.1 se aprecia la irradiación solar como se distribuye al llegar a la tierra. La tierra recibe una gran cantidad de energía procedente del sol que en lugares favorables puede ser de hasta del

orden de 2000 kW/m² anuales, el 2% de ella se transforma en energía eólica capaz de proporcionar una potencia del orden de 1017 _kW.

FIGURA 2.1 -A) IRRADIACIÓN SOLAR SOBRE UNA SUPERFICIE HORIZONTAL; B) IRRADIACIÓN SOLAR ABSORBIDA POR LA TIERRA; C) IRRADIACIÓN RADIADA AL ESPACIO EXTERIOR, [34].

2.1.1 Dirección y velocidad del viento

La dirección del viento viene definida por el punto del horizonte del observador desde el cual sopla. En la actualidad, se usa internacionalmente la rosa dividida en 360°. El cálculo se realiza tomando como origen el norte y contando los grados en el sentido de giro del reloj. La unidad de la velocidad del viento en Sistema Internacional de Unidades es m/s, sin embargo aún se usan los nudos (kt) y km/h. En la alta troposfera entre los 5 a 18 km de altura los vientos pueden llegar a ser mayores a 50 m/s; a este flujo se le denomina corriente en chorro.

La intensidad del viento depende de las características orográficas del terreno. Un elemento fundamental es la rugosidad del terreno, en llanura o en el mar el viento sopla con intensidad mayor que en el campo o en los alrededores de las ciudades, que a su vez son zonas más ventiladas que los centros de las mismas. La intensidad del viento depende también de la altura del terreno, cuanto más se

sube, mayor es la velocidad del viento. La velocidad estacionaria (Ve) para una altura (z), puede estimarse si se conoce la velocidad estacionaria a una altura (zr),

mediante la expresión (2.1), misma que se conoce como la ley del perfil logarítmico del viento:

( )

( )

Ve(zr) es la velocidad estacionaria medida a la altura zr (altura de referencia).

Ve(z) es la velocidad estacionaria estimada en la altura z. Z0 es un factor de rugosidad del terreno (tabla 2.2).

TABLA 2.2 - VALORES DE RUGOSIDAD (Z0) PARA DIVERSOS TIPOS DE TERRENO [5].

TIPO DE TERRENO Z0 (mm)

Muy suave; hielo o lodo 0.01

Mar abierto en calma 0.20

Mar picado 0.50

Superficie de nieve 3.00

Césped 8.00

Pasto quebrado 10.00

Campo preparado para cultivo 30.00

Cultivo 50.00

Pocos árboles 100.00

Varios árboles, hileras de árboles, pocas construcciones 250.00

Bosques, tierras cubiertas con árboles 500.00

Suburbios 1 500.00

Centros de ciudades con edificios altos 3 000.00

Las estimaciones de la velocidad del viento son críticas al momento de evaluar su potencial aprovechable en cualquier lugar. Los recursos eólicos son caracterizados por una escala de clases de viento según su velocidad, que se

extiende de la clase 1 hasta la clase 7 siendo esta última la más alta. Los desniveles de la superficie a través de la cual sopla el viento antes de llegar a una turbina eólica, determinan la cantidad de turbulencia que ésta experimentará. Los vientos turbulentos ejercen mayores tensiones sobre el rotor, reduciendo consecuentemente el tiempo de vida útil de la turbina. En la tabla 2.3 se desglosa las clases de viento en diferentes velocidades a 30 m y 50 m de altura y la potencia estimada del viento.

TABLA 2.3 - DEFINICIONES ESTÁNDAR DE CLASES DE VIENTO UTILIZADAS EN EE.UU, [43].

Clase

30 m de altura 50 m de altura

Velocidad del viento [m/s]

Potencia del viento [W/m²]

Velocidad del viento [m/s]

Potencia del viento [W/m²]

1 0-5.1 0-160 0-5.6 0-200

2 5.1-5.9 160-240 5.6-6.4 200-300 3 5.9-6.5 240-320 6.4-7.0 300-400 4 6.5-7.0 320-400 7.0-7.5 400-500 5 7.0-7.4 400-480 7.5-8.0 500-600 6 7.4-8.2 480-640 8.0-8.8 600-800 7 8.2-11.0 640-1600 8.8-11.9 800-2000

En un aerogenerador se pueden considerar tres tipos de velocidades del viento características. La velocidad de conexión es aquella velocidad del viento por encima de la cual se genera energía, que tiene un valor de 2 m/s a 4 m/s promedio, por abajo de esta velocidad toda la energía extraída del viento se gastaría en perdidas y no habría generación de energía. La velocidad nominal es aquella en la que la máquina alcanza su potencial nominal, esta se tiene en un intervalo de 10 m/s a 14 m/s, por encima de esta velocidad la potencia extraída del viento se puede mantener constante. La velocidad de desconexión es aquella que está por encima de la cual el aerogenerador deja de generar esta puede ser a una velocidad de 20 m/s a 25 m/s los sistemas de seguridad comienzan a actuar frenando la máquina, desconectándose de la red a la que alimenta si es el caso.

2.1.2 Medición de la dirección y velocidad del viento

Para medir la dirección del viento en los últimos años se usa la veleta, que marca la dirección en grados en la propia rosa. Debe instalarse de acuerdo a los procedimientos internacionales vigentes dictadas por la Organización Meteorológica Mundial (OMM) para evitar perturbaciones.

Se considera que a partir de 10 m de altura las perturbaciones no afectan de forma notable a la medida. La velocidad del viento se mide con un anemómetro, que es un molinete de tres brazos, separados por ángulos de 120°, que se mueven alrededor de un eje vertical. Los brazos giran con el viento y permiten medir su velocidad. Con los anemómetros modernos, a cada grado de la escala se le ha asignado una banda de velocidades medidas por lo menos durante 10min a 10m de altura sobre el nivel del mar. Hay anemómetros de dimensiones reducidas que pueden sostenerse con la mano y que son muy prácticos, aunque menos precisos debido a las perturbaciones. En la figura 2.2 se aprecian anemómetros de presión hidrodinámica (1), de empuje (2) y de hélices de cazoleta (3).

FIGURA 2.2 (1) ANEMÓMETRO DE PRESIÓN HIDRODINÁMICA (2) ANEMÓMETRO DE EMPUJE (3) ANEMÓMETRO HÉLICES DE CAZOLETA [34].

La velocidad media del viento varía entre 3 m/s y 7 m/s, según diversas situaciones metereológicas; es elevada en las costas, más de 6 m/s así como en algunos valles estrechos. En otras regiones es en general, de 3 m/s a 4 m/s

siendo bastantemente más elevada en las montañas dependiendo de la altitud y de la topografía. Un histograma mensual de velocidad que al asociar tiempos de duración acumulados a las velocidades observadas, describe la forma como se disipa la energía a través del tiempo, dentro de un sistema climático-geográfico definido. La uniformidad en el contenido energético del viento ha permitido emplear con éxito la función de distribución de Weibull aunque también es aplicable la distribución de Rayleigh.

Estas mediciones se deben llevar a cabo por periodos relativamente largos (hasta dos años) si el proyecto es de una magnitud grande de capital, o con simples exploraciones o mediciones de mano cuando el sistema a instalar sea pequeño. Para proyectos de más de 5 kW, vale la pena llevar a cabo mediciones aunque sea por períodos muy cortos (4 a 6 meses), pero para más de 20 kW es recomendable medir al menos un año. Entre los parámetros que son necesarios conocer están: velocidad, dirección, temperatura ambiente, humedad y presión atmosférica.

La cuantificación del potencial energético de un lugar dado se indica en términos de energía disponible, la cual puede ser traducida a valores de velocidad media con sus respectivas reservas. El término más adecuado es el que se da en kW/m2 como un dato de densidad de potencia, o kWh/m2 como un dato de densidad de energía.

2.2 AEROGENERADORES

Los aerogeneradores constituyen el principal elemento de los sistemas de aprovechamiento de la energía eólica, los cuales están constituidos principalmente por un arreglo de aspas, generador y torre. Los aerogeneradores funciona al contrario que un ventilador, en lugar de utilizar electricidad para producir viento, como un ventilador, los aerogeneradores utilizan el viento para producir

electricidad. El rotor convierte la fuerza del viento en energía rotatoria del eje, una caja de engranajes aumenta la velocidad y un generador transforma la energía del eje en energía eléctrica.

Por no ser constante la generación de energía eléctrica, se debe de conectar a un sistema de regularización que posteriormente a través de conductores, se conecta a un transformador que eleva la tensión eléctrica. Al aumentar la tensión se puede conectar a un sistema de red eléctrica. En la figura 2.3 se aprecian los componentes principales de los aerogeneradores modernos.

FIGURA 2.3 - PARTES PRINCIPALES DE LOS AEROGENERADORES. 1) Generador, 2) Sistema Refrigeración, 3) Unidad de control, 4) Caja de engranajes, 5) Eje principal, 6) Sistema bloqueo de control, 7) Pala, 8) Buje, 9) Cono, 10) Bastidor, 11) Sistema Hidráulico, 12) Amortiguador, 13) Corona de giro, 14) Disco

de freno, 15) Torre, 16) Reductora de giro [ 26].

ROTOR. Incluye el buje (cubo) y las palas, las palas capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje que está acoplado al eje de velocidad baja del aerogenerador. Éste eje, a su vez conecta el buje del rotor al multiplicador. El buje se fabrica mediante fundición y posteriormente es mecanizado. Cuando las palas se disponen ancladas rígidamente al buje, el aerogenerador se denomina de paso fijo y cuando éstas pueden regular el paso se denomina de paso variable. En este primer caso el anclaje al buje se realiza mediante unos rodamientos que permiten su giro. En el caso de palas de paso variable su accionamiento se realiza a través de sistemas hidráulicos y palancas o engranajes que se ubican dentro del buje. Estos mecanismos son actuados a través del eje lento, que se construye hueco para permitir dicha actuación.

CAJAS DE ENGRANES. Esta hace la conversión entre la potencia de fuerza de giro alto que obtiene del rotor de la turbina eólica girando lentamente, y la potencia de fuerza de giro baja a velocidad alta que utiliza el generador.En la selección de una caja de engranes para aerogeneradores se busca una relación óptima entre su capacidad de carga, tamaño y peso. Así mismo, se persigue obtener la eficiencia más alta y la menor emisión de ruido acústico. Por su función, las cajas de engranes deben ser confiables y fáciles de mantener. La caja de engranes o caja multiplicadora del aerogenerador no cambia las velocidades, normalmente suele tener una única relación de multiplicación entre la rotación del rotor y el generador. Para una máquina de 600 kW ó 750 kW, la relación de multiplicación suele ser aproximadamente de 1:50.

Las cajas de engranes que se utilizan en la mayoría de los aerogeneradores actualmente son del tipo planetario por que son más compactas, pesan menos, emiten menos ruido y en condiciones de carga parcial, tienen una eficiencia relativamente más alta. El 57% de los aerogeneradores con cajas de engranes usan del tipo planetario. Uno de los problemas potenciales en este elemento es la falla de sus sellos, por lo regular este problema se resuelve utilizando sellos de laberinto en las flechas de salida debido a que estos son libres de mantenimiento.

Típicamente, la lubricación de la caja de engranes de un aerogenerador se realiza por salpicadura y solamente se proveen medios para mantener la temperatura del lubricante dentro de los valores recomendados.

GENERADOR ELÉCTRICO. En los aerogeneradores interconectados se utilizan tanto generadores eléctricos asíncronos como síncronos. Los asíncronos típicamente son motores de inducción que se utilizan en forma inversa haciéndolos girar por encima de su velocidad de sincronismo. Cuando a un motor de inducción conectado a la red eléctrica se le hace girar por encima de su velocidad de sincronismo mediante la aplicación de un par motriz rotatorio en su eje de rotación, la potencia mecánica aplicada se transforma en energía eléctrica.

Existen dos tipos de generadores asíncronos que se han utilizado para la integración de aerogeneradores, el jaula de ardilla y el de rotor devanado. Los de jaula de ardilla son los más utilizados debido a sus características que se menciona a continuación:

• Su costo es bajo.

• Requieren poco mantenimiento.

• Son robustos.

• Pueden conectarse directamente a la línea eléctrica que entregaran energía.

La potencia que desarrolla un generador asíncrono es proporcional a la diferencia entre la velocidad de sincronismo Ws y la velocidad angular de su rotor W.

Teóricamente a la velocidad angular de sincronismo se obtiene potencia cero, mientras que la potencia nominal se logra a un deslizamiento. En la práctica el deslizamiento toma valores que están entre 0,5% para generadores (del orden de MW) y 2% para generadores del orden de kW. En la figura 2.4 ilustra el concepto funcional de mayor trascendencia en cuanto al uso de generadores asíncronos en turbinas eólicas.

FIGURA 2.4 RELACIÓN PAR-VELOCIDAD DE GENERADORES ASÍNCRONOS [5].

Los aerogeneradores con máquinas asíncronas se arrancan con el generador desconectado de la línea eléctrica. Esto debido a que se debe permitir que giren libremente hasta que la flecha del generador alcance una velocidad ligeramente superior a la de sincronismo. En ese momento, el generador se conecta a la línea y comienza a producir energía eléctrica a una frecuencia constante igual a la de la línea.

A partir de la velocidad de sincronismo, la potencia eléctrica que se entrega a la red tiende a incrementarse en función de la incidencia de vientos más altos. Sin embargo, una vez que se alcanza la potencia nominal a la velocidad nominal es necesario limitar la velocidad del rotor aerodinámico, ya que de lo contrario la velocidad del viento podría ocasionar la operación del generador eléctrico por arriba del 10% de su potencia nominal, ocasionando el calentamiento del embobinado. Esta es una de las necesidades que dieron origen a la necesidad de regulación de velocidad en aerogeneradores.

El incremento de velocidad angular en el rotor aerodinámico que se requiere para elevar la potencia de salida de un generador asíncrono desde su valor cero hasta su valor nominal es menor que 1 rpm. Por ello, los aerogeneradores que utilizan generadores asíncronos conectados directamente a la red se les conocen como sistemas de velocidad constante. Además de las ventajas ya mencionadas sobre el uso de los generadores jaula de ardilla, su relación par-velocidad, en las

cercanías de la velocidad nominal permiten un amortiguamiento de la variación constante de torque en la flecha principal en la turbina eólica.

El generador de inducción de rotor devanado se utiliza con muy poca frecuencia en la integración de aerogeneradores. Su ventaja principal es la factibilidad de implementar métodos de conexión a línea más sencillos y confiables. Por otro lado los generadores síncronos no son muy apropiados para integrar aerogeneradores de velocidad constante ya que cuando se conectan directamente a la línea eléctrica entregan una potencia que es proporcional con el ángulo de la fase, por lo que se dice que su relación par-velocidad es demasiado rígido.

Existe una cierta preferencia por utilizar generadores síncronos en los sistemas de velocidad variable. Estos pueden ser de construcción abierta o cerrada; sin embargo, en el uso de generadores síncronos de construcción abierta se han presentado problemas de deterioro del aislante de las bobinas y cortos circuitos. La forma cerrada de un generador síncrono ya no tiene ventajas de costos. Por ello, también se han utilizado generadores asíncronos y se experimenta con la adaptación de motores de reluctancia variable para su uso como generadores eléctricos.

GÓNDOLA. Contiene, entre otros componentes, el generador eléctrico el multiplicador y los sistemas hidráulicos de control, orientación y freno. El multiplicador tiene por el lado del rotor el eje de velocidad baja que es el de entrada, y al otro lado un eje de salida de velocidad alta que gira a 1500 rpm, lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico en condiciones de conexión a red. En el eje de velocidad alta se incorpora el sistema de freno del rotor.

Una veleta situada en la parte posterior de la góndola mide la dirección del viento en cada instante y manda órdenes al sistema de control que accionan los equipos de orientación del aerogenerador de forma que el rotor y las palas se sitúen en la posición adecuada contra el viento. La orientación se realiza mediante un sistema

de motor reductor de orientación que actúa sobre un sistema de corona engranada en el rodamiento de gran dimensión que une al bastidor con la torre. El bastidor o góndola incorpora también un sistema hidráulico para el accionamiento de los sistemas de giro de pala y de los frenos. Los sistemas de refrigeración del conjunto se ubican en su interior, en ocasiones aprovechando el propio viento.

TORRE. Soporta la góndola y el rotor. Puede ser tubular, de celosía o torre de armadura constituida por tramos de 20 m ó 30 m con bridas atornilladas. La torre de armadura ofrece una menor resistencia al viento, pero la carga principal de la torre es el momento flector causado por la fuerza axial sobre el rotor; la contribución de la resistencia de la torre misma únicamente contribuye apreciablemente cuando el rotor está parado.

La rigidez alta es una de sus principales características, la única ventaja tangible de la resistencia menor al viento es la de una estela menor de la torre, que es de importancia para un rotor que opera viento abajo de la torre. En el caso de la torre tubular tiene ventajas de fácil construcción y mantenimiento, ofreciendo además un espacio protegido del ambiente para instalar el sistema de control eléctrico y la escalera de acceso para el personal de mantenimiento.

Es importante realizar un diseño optimizado de la torre, pues contribuye en gran medida al precio total del aerogenerador. Las comprobaciones a realizar son: verificación de la respuesta dinámica, asegurando que las frecuencias naturales no coincidan con las de excitación del rotor; comprobación de uniones soldadas y atornilladas; verificación de la estabilidad de la torre (pandeo) y comprobación a fatiga y pandeo local en zonas de puertas y ventanas. El diseño de la cimentación del aerogenerador está en función de sus dimensiones y características del terreno.

Los aerogeneradores tienen un factor de disponibilidad superior al 95%; es decir unas 18 horas al año están parados por reparación o mantenimiento. El grupo de

mantenimiento atiende todo lo necesario de estas plantas. Lo complicado es cuando el mantenimiento es privado, pues hay que estar dispuestos a subir a las torres de 30 m para realizar el mantenimiento preventivo correspondiente cuando se requiera.

Existen dos casos que se perfilan como importantes opciones para el futuro. Están los aerogeneradores instalados mar adentro y el éxito consiste en instalarlos en aguas poco profundas para abaratar su costo y al mismo tiempo aprovechar la distribución que toma la velocidad del aire a cierta altura sobre el mar, incrementando la potencia generada. El otro caso son los proyectos experimentales de aerogeneradores con una velocidad variable que generan corriente alterna teniendo al pie de la torre un rectificador que la transforma a corriente directa y luego un convertidor que la entrega como corriente alterna de esta forma se mantiene la forma senoidal de la tensión.

2.3 Clasificación de los Aerogeneradores

2.3.1 Clasificación por el eje de trabajo

Los aerogeneradores de eje horizontal (figura 2.5) pueden tener una, dos o más aspas. A mayor número de aspas corresponde una mayor superficie de contacto con el viento. La razón entre la superficie de contacto con el viento y el área barrida por la superficie de contacto con el viento se denomina solidez. Cuanto mayor sea la solidez menor será la velocidad de giro y mayor el par de arranque, obteniéndose un par mayor a velocidades de viento bajas. Los aerogeneradores con menos solidez capturan una mayor energía con vientos de alta velocidad.

En los aerogeneradores de eje horizontal (de dos o tres aspas) las aspas pueden estar colocadas viento arriba o viento abajo. Las aeroturbinas de potencia baja suelen emplear una configuración viento arriba principalmente porque con una simple veleta se reorienta al cambiar la dirección del viento, manteniéndose así el

área de barrido de las aspas siempre perpendicular a la dirección del viento y maximizando la energía captada. La configuración de viento abajo, se utiliza en los aerogeneradores de tamaño grande, en los que la veleta no resulta práctica requiriéndose de otros mecanismos para reorientar la turbina.

FIGURA 2.5 AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL [36].

Los aerogeneradores de dos o tres aspas utilizan mecanismos automáticos de control que permiten girar todo el dispositivo dejando su eje de rotación paralelo a la dirección del viento cuando este sopla a velocidades excesivas. Se emplean también otros mecanismos para controlar el ángulo de ataque de las aspas con el viento logrando de esta manera que el rotor del aerogenerador gire a una velocidad constante. La elección entre una configuración de dos o tres aspas, se basa en que con tres aspas se distribuyen mejor los esfuerzos estructurales a que está sometida la aeroturbina, pero con dos aspas se reduce el costo y se obtienen mayores velocidades de giro.

Entre los aerogeneradores de eje vertical se pueden distinguir tres tipos principalmente: Savonius, Darrieux y ciclogiro. En la figura 2.6 se muestra las dos primeras. Las de menor eficiencia son las Savonius que presentan una gran superficie de contacto al viento siendo por ello de velocidad baja y par inicial alto. Un rotor Savonius consta de dos mitades de un cilindro partido verticalmente de arriba hacia abajo, unidas de tal modo que en un corte horizontal forman una especie de S.

Los aerogeneradores más utilizados son las de rotor Darrieux, cuyas aspas se asemejan a las de un bastidor. Normalmente tienen de dos a tres aspas soportadas en la parte superior o inferior de la flecha. Estas máquinas requieren de una potencia inicial, no eólica, para arrancar, lo mismo que los aerogeneradores modernos de eje horizontal y aerogeneradores de potencias superiores a los 60 kW. Algunos prototipos de Darrieux emplean rotores pequeños Savonius para iniciar su operación.

FIGURA 2.6 a) AEROGENERADOR DARRIEUX b) AEROGENERADOR SAVONIUS [36].

El tercer tipo de aerogenerador es el ciclogiro, muy semejante al Darrieux solo que las aspas son rectas y su orientación se modifica constantemente. La potencia pico predicha para este tipo de turbinas es más alta que para cualquier otro. Los

aerogeneradores de eje vertical tienen ciertas ventajas sobre las de eje horizontal como son:

• No requieren de sistemas de orientación.

• Los elementos que requieren un cierto mantenimiento pueden ir situados a nivel del suelo.

• No requieren mecanismos de cambio de revoluciones, por tanto no suelen emplearse en aplicaciones que precisen una velocidad angular constante.

Las ventajas de los aerogeneradores de eje horizontal respecto a los de eje vertical son:

• Mayor rendimiento.

• Mayor velocidad de giro (multiplicadores más sencillos).

• Menor superficie de pala a igualdad de área barrida.

• Se pueden instalar a mayor altura, donde la velocidad del viento es más intensa.

2.3.2 Clasificación por el número de palas

Un aerogenerador, contrario a lo que pueda parecer lógico no por tener más palas dará más potencia. Se cree que si cada pala ayuda a captar la energía del viento entonces su número aumenta la potencia captada. Los aerogeneradores necesitan girar a velocidades altas, sin embargo no captan par por resistencia, sino por el perfil aerodinámico de las palas. Los rotores multipala ofrecen régimen de giros lentos, pero con un par alto debido a la resistencia que oponen al paso del viento. La combinación de estos factores determina la potencia final de la máquina.

Los aerogeneradores de velocidad alta no utilizan muchas palas, se ha experimentado con 4, incluso con 1 pala. Los aerogeneradores pequeños tienen 5 o 6 palas; sin embargo, se ha llegado a la conclusión de que el mejor rendimiento se alcanza con 3 palas. Un rotor de tres palas no presenta las desventajas de una