SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EÓLICO – FOTOVOLTAICO AISLADO PARA EL SUMINISTRO ELÉCTRICO DEMANDADO POR UN EDIFICIO HABITACIONAL

INSTITUTO

POLITÉCNICO

NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN

DE ENERGÍA ELÉCTRICA

EÓLICO

–

FOTOVOLTAICO AISLADO

PARA EL SUMINISTRO ELÉCTRICO

DEMANDADO POR UN

EDIFICIO HABITACIONAL

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

I N G E N I E R O E L E C T R I C I S T A

PRESENTA:

GUEVARA MEDINA MAGDIEL

ASESORES:

ING. JOSÉ ANTONIO URBANO CASTELAN

LIC. BLANCA MARINA FEREGRINO LEYVA

ÍNDICE

Agradecimientos

Resumen

I

Introducción

III

Justificación

IV

Hipótesis

V

Objetivo

VI

Objetivos particulares

VI

CAPÍTULO I ASPECTOS GENERALES DE LA GENERACIÓN

CONVENCIONAL DE ENERGÍA ELÉCTRICA

7

1.1

Generación De Energía Eléctrica Convencional

9

1.2

Generación De Energía Eléctrica Por Recursos Renovables

12

1.2.1

Energías Renovables En El Mundo

16

1.2.2

Energías Renovables En México

18

1.2.3

Energía Eólica

20

1.2.4

Energía Solar

32

1.2.5

Energía Termosolar

40

1.2.6

Energía Mini hidráulica

43

1.2.7

Energía Geotérmica

45

1.2.8

Energía De La Biomasa

48

1.3

La Generación De Energía Eléctrica A Escala Mundial

51

1.4

El Sistema Eléctrico Y El Consumo Nacional

52

1.5

Principales Centrales Generadoras De Energía Eléctrica En México

53

1.6

Prospectiva Del Sector Eléctrico Mexicano

54

1.7

Estadísticas De Energía Del Sector Eléctrico Nacional

56

CAPÍTULO II CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS

DE UN EDIFICIO HABITACIONAL

62

2.1

Introducción Unidades Habitacionales Sustentables

64

2.2

Arquitectura Sustentable

67

2.3

Diseño Unidad Departamental

88

2.4

Diseño Planta Edificio Habitacional

90

CAPÍTULO III DISTRIBUCIÓN DE CARGAS ELÉCTRICAS

DE UN EDIFICIO HABITACIONAL

92

3.1

Perfil De Demanda De Energía Eléctrica

93

3.2

Calculo De Carga Eléctrica Total Instalada

94

3.3

Calculo De Corrientes Eléctricas

98

3.4

Calculo De Demanda De Energía Eléctrica

99

3.5

Instalación Eléctrica Edificio Habitacional

103

3.5.1

Instalación Eléctrica Unidad Departamental

103

3.5.2

Instalación Eléctrica Planta

109

3.5.3

Instalación Eléctrica Iluminación Extra

115

3.6

Componentes Eléctricos

117

CAPÍTULO IV SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN

DE ENERGÍA ELÉCTRICA

EÓLICO

_–

FOTOVOLTAICO AISLADO

125

4.1

Componentes Principales

128

4.2

Dimensionamiento Del Sistema Hibrido De Generación De

Energía Eléctrica Eólico Fotovoltaico Aislado

140

4.2.1

Selección De Aerogeneradores

141

4.2.2

Selección De Controlador de Carga Eólico

146

4.2.3

Selección De Paneles Solares

150

4.2.4

Selección De Controlador de Carga Solar

155

4.2.5

Selección De Baterías

158

4.2.6

Selección De Inversor

161

4.2.7

Selección De Transformador

165

4.2.8

Selección De Fuente De Poder Como Elevador De Tensión

167

4.3

Instalación, Operación Y Mantenimiento

171

CAPÍTULO V ANÁLISIS COSTO

_–

BENEFICIO

DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA HÍBRIDO

179

5.1

Costo De Instalación

181

5.2

Costo Obra Civil

181

5.3

Costo Equipamiento

183

5.3.1

Costo Sistema Hidráulico

183

5.3.3

Costo Electrodomésticos

185

5.4

Costo Instalación Eléctrica

186

5.4.1

Costo Distribución De Cargas

186

5.4.2

Costo Sistema Hibrido De Generación

189

5.4.3

Costo kW Hora

191

5.5

Beneficio

192

5.5.1

Tarifa Gas LP

192

5.5.2

Tarifa Energía Eléctrica

193

5.5.3

Toneladas Evitadas de CO2

193

5.6

Recuperación De La Inversión

194

5.7

Ganancia

195

Conclusiones

197

Índice De Tablas

199

Índice De Figuras

201

AGRADECIMIENTOS

A mis padres:

Saúl Magdiel Guevara Elizalde y Araceli Medina Delgadillo, sabiendo que no existirá una forma de agradecer una vida de sacrificio y esfuerzo, quiero que sientan que el objetivo logrado también es de ustedes y que la fuerza que me ayudo a conseguirlo fue su apoyo.

Así también gracias por todos los valores inculcados porque gracias a ustedes soy quien soy y seré quien llegare a ser, gracias por el apoyo total sincero y verdaderamente incondicional, sin límites sin barreras, pura y plenamente como lo dice la palabra incondicional; sin condiciones.

Gracias por ser quienes son, los mejores seres humanos que más que afortunado soy bendecido por tenerlos como padres, trabajadores, humildes, honestos y persistentes, por ser unos guerreros ante cualquier circunstancia que presenta la vida. Por darme todo y en demasía, lo que cualquier hijo quisiera tener, porque siempre han logrado en abundancia que nuestro hogar permanezca en armonía, estable y lleno de buenas energías.

Gracias amados padres por la correcta educación que me inculcaron por que más allá de mi formación académica ustedes me brindaron su formación personal y espiritual, me comprendieron en todo sentimiento, me acompañaron en toda circunstancia, me corrigieron y apoyaron en cada actitud y acción errada, y por sobre todo me demostraron, compartieron y enseñaron el correcto, ideal y optimo papel de ser unos verdaderos padres, juntos y unidos.

Gracias por enseñarme y demostrarme más allá del significado, el verdadero sentimiento de pertenecer a una familia, por quererme y amarme cada día por sobre todas las cosas.

A mi abuelo:

Marte Guevara Santos, porque más allá de inculcarme y compartirme el gusto, la curiosidad, las doctrinas y conceptos básicos de este oficio, me has enseñado el cómo ser una buena persona, el despertarme cada día con la intención de ser alguien mejor, no ante los demás sino ante uno mismo.

Por ser quien eres, aquella persona que no solo para la familia, si no para quien te conozca, eres el ejemplo que todos quisiéramos llegar a ser, porque de ti viene la educación y formación que me brindaron mis padres porque tu así lo hiciste, has dado tu vida en ayuda para los demás, no solo a tus hijos y a tu familia les brindaste todo, si no que a quien lo necesitase sin que te lo pidiera tu siempre los has ayudado por el simple hecho de ser quien eres no por recibir algo a cambio.

Abuelo muchas gracias por todo, por compartirme y enseñarme el cómo ser un verdadero ser humano y por sobre todo porque más allá de palabras y sabios consejos tu enseñanza es con el ejemplo. Gracias también porque de todo lo que eh aprendido de ti y de todos los consejos que me has dado, me dijiste uno citando al Filósofo, Lucio Anneo Séneca que siempre marcara mi vida y te mantendrá en mi sentir, pensar y actuar, por eso y por todo te amo Papate.

Es muy agradable ser importante, pero es más importante ser agradable.

I

RESUMEN

La generación de energía eléctrica por medio de energías renovables, como lo es la energía solar y la energía eólica, es resultado de un estudio avanzado en la utilización y aprovechamiento de estas energías limpias, así como un desarrollo progresivo e innovador en la ingeniería y tecnología que esta generación requiere.

En este proyecto, la generación de energía eléctrica es requerida para el suministro demandado por un conjunto de unidades habitacionales, creando así el diseño de un edificio habitacional sustentable energéticamente, que contara con departamentos equipados con la instalación eléctrica correcta para la carga demandada en el uso cotidiano de una casa habitación. Consistirá en el aprovechamiento de recursos renovables como lo son la radiación solar y el movimiento del aire, utilizando así la tecnología requerida para suministrar la carga eléctrica demandada.

Durante el desarrollo de los capítulos se demostrara como es que las unidades habitacionales sustentadas a través de un sistema hibrido eólico-fotovoltaico son diseñadas con mayor énfasis en los últimos años, gozando así de un alto rendimiento energético, una arquitectura innovadora y una comunión cada vez más positiva con el medio ambiente en el que se encuentran y que a todos nos confiere.

Se explicara brevemente el desarrollo y funcionamiento del sistema eléctrico y el consumo nacional, así como las diferentes técnicas empleadas para la generación de energía eléctrica que este consumo nacional demanda. Rescatando los diferentes resultados obtenidos al generar energía eléctrica de forma convencional y al hacerlo de manera alterna al aprovechar recursos totalmente renovables. Resaltando así todos los beneficios obtenidos en el empleo de estas energías limpias, explicando su principio de operación, las diferentes características técnicas que requiere su instalación, así como los componentes necesarios para un sistema eficaz sustentable.

II

III

INTRODUCCIÓN

Día con día el continuo crecimiento de una sociedad capitalista con ayuda de la tecnología, tiene un impacto catastrófico en el medio ambiente que se habita, el aumento acelerado del calentamiento global está cambiando en forma drástica el clima del planeta, esto como consecuencia de la acumulación de un grupo de gases encontrados en la atmosfera, como el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4), el óxido nitroso (N2O), los hidrofluorocarbonos (HFCs), los perfluorocarbonos (PFCs) y el hexafluoruro de azufre (SF6) funcionando como un cobertor que arropa el globo terrestre, lo cual permite que penetre la radiación solar, pero impide que una parte del calor que refleja la Tierra sea expulsado al espacio.

Sin una cultura enfocada al cuidado y respeto de la naturaleza y un comportamiento carente de conciencia ambiental, obtenemos daños irreparables, consecuencias que nos afectan a cada habitante de este planeta. Enmarcando y resaltando así la necesidad del consumo de agua potable, de aire libre de contaminación y de alimentos saludables, resulta contradictorio, atacar, destruir y contaminar nuestro medio ambiente, suelos aire y mantos acuíferos. Tomando en cuenta que en una sociedad, la herramienta para su prospero desarrollo y vida saludable es la energía eléctrica, y el impacto que esta misma provoca desde su generación hasta su consumo, tenemos la obligación humana de reducir gradualmente estos daños.

Los sistemas tradicionales de producción de electricidad tienen una problemática asociada que hacen necesario intentar desarrollar otro tipo de fuentes energéticas. Las centrales térmicas por citar un ejemplo tienen el problema de que los combustibles fósiles que emplean son recurso limitado no renovable, provocando además una gran emisión de gases contaminantes que incrementan el efecto invernadero. Por su parte las centrales nucleares generan residuos radioactivos además del considerable potencial de riesgo de accidente nuclear.

Optamos por la utilización de una generación de energía eléctrica limpia, sin emisión de gases, de líquidos tóxicos contaminantes o radiactivos, sin desperdicio de recursos no renovables como el agua o el petróleo, que como mencionamos daña a la naturaleza del planeta y la salud de cada ser vivo que habita en él.

IV

JUSTIFICACIÓN

En este proyecto estamos convencidos de que a través de la utilización de fuentes renovables de energía, se puede reducir simultáneamente la dependencia de los combustibles fósiles, disminuir proporcionalmente las emisiones de gases de efecto invernadero, y así reducir gradualmente el impacto dañino hacia el medio ambiente.

Nuestro país tiene un gran potencial en materia de energía renovables que deben ser aprovechadas, por ello, en el proyecto se presentan indicadores y potenciales en la energía solar y eólica que permitirán atender los desafíos que se enfrentan debido al calentamiento global.

En la actualidad México cuenta con un promedio de radiación de 5.23 kiloWatt-hora / m²-dia, de acuerdo al “programa especial para el

aprovechamiento de energías renovables” de la honorable “subsecretaria de

planeación energética y desarrollo tecnológico”.

V

HIPÓTESIS

En la actualidad es muy común tener diferentes problemas con la energía eléctrica en cuanto a su uso para casas habitación, desde la instalación para la conexión con la red eléctrica nacional cual sea la distancia que esta demande, así como las tarifas excesivas, actos vandálicos, etc. Tomando en cuenta el continuo aumento en la demanda eléctrica, optamos por generación de energía eléctrica por medio del aprovechamiento de energías renovables logrando una comunión menos contaminante con el medio ambiente.

Se diseñara una instalación eléctrica para un edificio habitacional conformando por 12 departamentos, sustentados mediante un sistema hibrido de generación eólico – fotovoltaico, realizando diferentes diagnósticos energéticos, diseñando una correcta distribución y control de cargas, suministrando así el consumo demandado por el uso cotidiano de una casa habitación.

VI

OBJETIVO GENERAL

Desarrollar un sistema hibrido de generación de energía eléctrica eólico - fotovoltaico eficaz, capaz de suministrar la energía eléctrica demandada por una unidad habitacional, así como el diseño de la instalación eléctrica necesaria, y la rigurosa selección de todos los componentes eléctricos que esta requiere.

OBJETIVOS PARTICULARES

 Generar la suficiente energía eléctrica demandada por una unidad habitacional por medio de energías renovables.

 Diseñar una instalación eléctrica eficaz, reduciendo al máximo las diferentes perdidas de energía eléctrica presentadas. Aseguando un suministro de energía eléctrica confiable de calidad.

 Demostrar la eficiencia de la instalación comparada con instalaciones convencionales.

 Mitigar el incremento en las emisiones de Gases Efecto Invernadero.

CAPÍTULO I

ASPECTOS GENERALES DE LA

GENERACIÓN CONVENCIONAL

8

INTRODUCCION

A continuación se nombraran algunas principales plantas de Energía en México, así como su capacidad y modo de generación, con la siguiente información obtenida de diferentes instituciones que operan hoy en día en nuestra nación mexicana, colaborando así con la participación en la generación, distribución, transmisión y mantenimiento de la Energía Eléctrica que alimenta a esta nación, como lo son la “Comisión Federal de Electricidad”, “Secretaria de

Energía”, “Subsecretaria de Electricidad”, así también Instituciones como el

“Equipo Editorial Explorando México” y “El Instituto Nacional de Ecología” que nos

otorgan datos conforme a sus diferentes áreas informativas. Se pretende conocer cómo es que sucede la generación de energía eléctrica y esta llega a nuestros hogares, tomando en cuenta el impacto socio-ambiental que provoca, haciendo énfasis en la opción de una generación limpia, libre de daños irreparables al medio que habitamos.

La energía eléctrica se ha convertido en parte de nuestra vida diaria, y está íntimamente relacionada con los requerimientos actuales del hombre; sin ella, difícilmente podríamos imaginarnos los niveles de progreso que el mundo ha alcanzado.

La electricidad se produce a partir de varias fuentes de energía primaria. Los procesos de producción pueden utilizar, por ejemplo, carbón (carboeléctricas), gas natural o combustóleo (termoeléctricas convencionales), energía hidráulica (hidroeléctricas), energía eólica (centrales eólicas), energía nuclear (nucleoeléctricas) y energía geotérmica (geotermoeléctricas).

Sin embargo, es importante tener presente que la energía eléctrica que utilizamos está sujeta a distintos procesos de generación, transmisión y distribución y, por lo tanto, al generar electricidad el impacto potencial en el ambiente puede ser muy diferente si se utilizan combustibles fósiles, en contraposición con fuentes de energía renovable (solar, eólica).

9

1.1 GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA CONVENCIONAL

Estos sistemas se caracterizan por los siguientes puntos:

 Las centrales suelen ser contaminantes si no se toman las medidas adecuadas.

 Las centrales pueden llegar a producir situaciones peligrosas.

 Los combustibles empleados son limitados.

 Los combustibles empleados tienen un alto costo.

 Son centrales poco regulables, caracterizadas por suministrar la carga prácticamente constante, suelen entregar grandes cantidades de potencia.

Con estas características se hallan entre otras las siguientes centrales.

 Centrales térmicas clásicas.

 Centrales térmicas nucleares.

 Centrales hidroeléctricas de gran potencia.

CENTRALES HIDROELECTRICAS

Las centrales hidroeléctricas aprovechan la energía hidráulica de una caída de agua. La masa liquida se canaliza a lo largo del desnivel y se hace pasar a través de las turbinas que le impiden el movimiento de rotación a los generadores para producir la energía eléctrica.

Las partes principales que conforman las centrales hidroeléctricas son:

 La presa embalse.

 Las compuertas de toma.

 La toma de agua.

 Las turbinas.

 Los generadores.

 El tablero de mando.

 Líneas de transporte.

 Sistema distribuido.

10

La toma de agua es un canal o tubo de gran diámetro que conduce el agua desde el embalse hasta las turbinas. La entrada esta protegida por rejillas para detener los materiales solidos.

Las turbinas constituyen la maquina matriz en las centrales hidráulicas. Tienen como objeto transformar la energía hidráulica determinada por la altura del salto y por el caudal de agua. Las turbinas constan de dos partes: la parte fija o cuerpo que dirige el líquido para que choque con las paletas que giran por el empuje del agua.

Los alternadores síncronos son dispositivos acoplados a los mismos ejes de las turbinas. Los generadores producen la energía eléctrica cuando las turbinas se mueven a gran velocidad.

El tablero de mando, consta del control de los generadores que producen y envían corriente alterna a la sala de mando, donde existen normalmente aparatos de control y medida. Las líneas de transmisión son las que permiten llevar la energía eléctrica desde las centrales hasta los sitios de consumo.

CENTRALES CON MAQUINAS Y TURBINAS A VAPOR

Estas centrales son muy importantes por su magnitud y complejidad, en ellas el vapor de agua forma la energía mecánica para mover las turbinas. Las principales partes son:

 El deposito de combustible.

 Las calderas que son recipientes donde se produce el vapor a una presión que supera las 200 atmosferas con temperaturas de recalentamiento de 500°C.

 Las turbinas son ruedas en cuya periferia se han dispuesto una o mas filas de paletas que son movidas por el vapor de gua.

 Los generadores son maquinas acopladas en los mismos ejes de las turbinas y cuando estas se mueven a gran velocidad, los generadores producen energía eléctrica.

11

CENTRALES CON MOTORES DE COMBUSTIBLE LIQUIDOS

En estas centrales la corriente gaseosa se obtiene quemando gasoil en una corriente de aire que mueve las turbinas. Las partes principales son:

 Los tanques de combustibles.

 El compresor que aspira y comprime el aire, enviándolo a presión a la cámara de combustión.

 La cámara de combustión donde llega el combustible para producir el calentamiento.

 Las turbinas provistas de grandes y fuertes paletas.

 Los generadores que producen la energía eléctrica.

Estas centrales se pueden instalar en cualquier sitio, la principal desventaja es el gasto de combustible y la contaminación del aire.

CENTRALES NUCLEARES O ATOMICAS

Las centrales termonucleares producen energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía térmica que produce la fusión de combustibles nucleares.

Las centrales eléctricas movidas por energía nuclear constan de las partes siguientes:

 El reactor nuclear que constituye el foco de calor.

 La caldera donde se produce el vapor a alta presión para mover el turboalternador.

12

1.2 GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA POR RECURSOS

RENOVABLES

El cambio climático propiciado por la constante contaminación que presenta la población alrededor de todo el planeta tierra, es un factor que influye en nuestra vida cotidiana que debemos de tener siempre en cuenta, apoyando a controlar y disminuir todo tipo de acciones que contribuyan a la destrucción del medio ambiente como la emisión de gases toxicos que elevan el efecto invernadero, la tala de arboles, o el derrame en reservas de agua potable de desechos con alto grado de toxicidad. La crisis energética y la escasez de recursos elementales para el prospero desarrollo de la vida humana, han impulsado una mayor conciencia de la repercusión de cada una de nuestras acciones sobre el medio ambiente, pues de esto depende no solo nuestra calidad de vida, sino la propia supervivencia. Actualmente se habla de las llamadas Energías Verdes, Limpias o Renovables, como una alternativa viable que puede contribuir esencialmente a mitigar el cambio climático y toda la destrucción que esta provoca en reservas naturales y por consecuencia en todo el medio en el que habitamos.

Las energías renovables implican un reducido impacto ambiental en comparación con los recursos fósiles limitados, y se pueden decir que cuentan con una cierta autonomía como fuentes, en algunos casos, inagotables de energía que tarde o temprano tendrán un importante papel dentro de la reserva energética, así como en la reducción de problemas ambientales. Estos sistemas engloban las denominadas energías alternativas, por constituir una alternativa a las convencionales, por utilizar combustibles inagotables, este tipo de energías son las que se proponen en nuestro proyecto, para una mejor utilización de la energía, estas energías renovables tienen las siguientes características:

 Las centrales no contaminan o lo hacen en menor medida.

 Las centrales no suelen presentar situaciones peligrosas.

 Los combustibles empleados son ilimitados.

 Los combustibles empleados son gratuitos o con un costo mínimo.

 Son centrales regulables, caracterizadas por suministrar las puntas de carga, suelen entregar pequeñas cantidades de potencia.

Con estas características se mencionan las siguientes alternativas de generación de energía eléctrica.

 Centrales eólicas.

 Centrales solares térmicas y fotovoltaicas.

 Centrales de biomasa, residuos solidos urbanos, industriales o agrícolas.

 Centrales geotérmicas.

 Centrales marinas, mareomotrices, de osmosis, de corrientes marinas o gradiente térmico. (de olas)

 Centrales de células de combustible.

13

De acuerdo al Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables publicado por una de las instituciones públicas del gobierno de México, La secretaría de energía y la subsecretaría de planeación energética y desarrollo tecnológico. Podremos analizar cómo es que ocurre la generación de energía eléctrica por medio del aprovechamiento de Energías Renovables en nuestro país.

“Conforme lo establecido en la Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética, se presenta el Programa Especial para el Aprovechamiento de las Energías Renovables.

Para la elaboración de este Programa se ha contado con la colaboración de asociaciones y especialistas en la materia y busca generar una amplia participación de la sociedad que cada vez demuestra un mayor interés en el aprovechamiento de las energías renovables en nuestro país.

En el Plan Nacional de Desarrollo 2007–2012, la sustentabilidad ambiental está definida como un eje central de las políticas públicas de México. Esto implica que nuestro país debe considerar al medio ambiente como uno de los elementos de la competitividad y el desarrollo económico y social.

En la Secretaría de Energía, estamos convencidos de que a través de la utilización de fuentes renovables de energía, se puede reducir simultáneamente la dependencia de los combustibles fósiles, disminuir proporcionalmente las emisiones de gases de efecto invernadero y aumentar el valor agregado de las actividades económicas.

Nuestro país tiene un gran potencial en materia de energías renovables como lo muestra el Programa y ofrece amplias oportunidades que deben ser aprovechadas. Por ello, en el Programa se presentan indicadores y potenciales en las distintas fuentes renovables y que permitirán atender los desafíos que se enfrentan por el calentamiento global.

Tenemos una responsabilidad con las generaciones futuras, y la obligación de dejar un mundo mejor, en el cual nuestros hijos y nuestros nietos tengan la oportunidad de disfrutar la riqueza de los recursos naturales. Hagamos conciencia de que el tiempo se está agotando para instrumentar las soluciones que se requieren para enfrentar los efectos del cambio climático.

14

Las energías renovables se basan en los flujos y ciclos implícitos en la naturaleza. Son aquellas que se regeneran y se espera que perduren por cientos o miles de años. Además, se distribuyen en amplias zonas y su adecuada utilización tiene un impacto ambiental favorable en el entorno, elemento que hoy se convierte en una herramienta de gran importancia, ante la necesidad de disminuir significativamente la emisión de gases de efecto invernadero a nivel mundial.

“Ciertamente los combustibles fósiles han sido una base para el desarrollo nacional en México. Los pronósticos indican que seguirán ocupando una participación destacada como fuente primaria de energía para las próximas décadas; sin embargo, hoy es necesario iniciar las acciones que nos permitan, en un futuro no muy lejano, diversificar las fuentes de energía para atender las necesidades de los consumidores.

Con el objetivo de reducir los riesgos inherentes a la dependencia de los hidrocarburos y la convicción de incorporar el concepto de sustentabilidad en las políticas y estrategias del sector energético, las acciones que, en materia de transición energética, se han ejecutado desde el inicio de la presente Administración, pueden agruparse en dos grandes vertientes:

 Eficiencia Energética

 Energías Renovables

Nos enfocaremos en detallar las políticas públicas que promuevan fuentes renovables de energía y la utilización óptima de las mismas.

Estas fuentes representan una respuesta importante a la demanda de la sociedad de contar con un modelo sustentable que, además de mitigar los efectos negativos de las actividades que se tienen en el sector energético, contribuyen a reducir los riesgos asociados con la volatilidad de precios y diversificar el portafolio energético.

De igual manera, es relevante la contribución de estas fuentes al desarrollo social en áreas donde la energía convencional es económicamente inviable. Estudios previos de la Comisión Reguladora de Energía indican que México posee un gran potencial para generar energía a través de fuentes renovables, ya que contamos con:

 Altos niveles de Radiación Solar.

 Recursos hidráulicos para la instalación de plantas minihidráulicas.

 Vapor y agua para el desarrollo de campos geotérmicos.

 Zonas con intensos y constantes vientos prevalecientes.

 Grandes volúmenes de esquilmos agrícolas.

15

Por sí misma, la diversificación de las fuentes energéticas a partir del uso de energías renovables representará un mecanismo para reducir la dependencia de México en los combustibles fósiles, y así fomentar la seguridad energética. Sin embargo, el aprovechamiento de las energías renovables también representa beneficios indiscutibles en otros temas prioritarios, no sólo para nuestro país, sino para todo el mundo.

En materia de electrificación, el aprovechamiento de las energías renovables también será un motor para el desarrollo social, al permitir el acceso al servicio eléctrico a comunidades donde la energía convencional es económicamente inviable por estar apartadas de la red eléctrica.

En el rubro ambiental, la utilización de energías renovables, además de contribuir a mejorar la calidad del aire, contribuye a la conservación de los recursos naturales. Finalmente, se espera una importante contribución en materia económica, ya que el desarrollo de las energías renovables representará la creación de pequeñas y medianas empresas, la generación de nuevos empleos, un mayor desarrollo científico y tecnológico, y la posibilidad de generar mayor intercambio comercial con otros países que están impulsando la utilización de energías renovables.

Los bioenergéticos son considerados como una energía renovable por la Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética, ya cuentan con un marco jurídico y programático específicos.

El potencial de los bioenergéticos en México se estima en alrededor de 2,635 y 3,771 Petajoules al año, lo que representa el 8% del consumo de energía primaria en el país. Del potencial estimado, un 40% proviene de los combustibles de madera, 26% de los agro-combustibles y 0.6% de los subproductos de origen municipal.

Se estiman además 73 millones de toneladas de residuos agrícolas y forestales con potencial energético, y aprovechando los residuos sólidos municipales de las 10 principales ciudades para la generación de electricidad a partir de su transformación térmica, se podría instalar una capacidad de 803 MW y generar 4,507 MWh/año. De esta forma, la bioenergía podría representar entre 7 y 17% del consumo de energía en México en el año 2030.”[4]

16

1.2.1 ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MUNDO

Las energías renovables a nivel mundial representan el 18% de la generación eléctrica, (la mayoría de esta participación considera las energías hidráulica y eólica) mientras que, la contribución al suministro térmico de las renovables es de un 24%. La participación de las energías fotovoltaica, solar, eólica y la bioenergía ha crecido rápidamente en los últimos años, efecto que se atribuye a las inversiones en investigación y desarrollo que se iniciaron hace más de tres décadas.

Participación en la Generación Eléctrica

Fig. 1.1 Elaboración propia con base en datos de la International Energy Agency, Renewables in global energy supply 2007. [4]

“Mundialmente, la capacidad de generación a través de celdas fotovoltaicas es de alrededor de 6,000 Megawatts (MW), instalada principalmente en Alemania, Japón y Estados Unidos de América.

En comparación, la energía termosolar está aún en desarrollo. Países como Estados Unidos de América, España, Australia, Israel, Italia, China, Irán, Jordania y Malta albergan dicha tecnología.

Globalmente la capacidad de generación eléctrica a través de la energía hidráulica es de 170,000 MW; la mayor parte de esta capacidad está instalada en países asiáticos, como China, India y Vietnam.

17

PAISES CON MAYOR PRODUCCION Y CAPACIDAD EOLICA

PAIS _{CAPACIDAD INSTALADA (MW) PRODUCCION}

(MWh/Año)

Alemania 20,600 30,700,000

España 11,600 23,000,000

Estados Unidos 11,600 26,700,000

India 6,300 8,000,000

Dinamarca 3,100 6,100,000

China 2,600 3,900,000

Italia 2,100 3,000,000

Reino Unido 2,000 4,200,000

Portugal 1,700 2,900,000

Tabla 1.1 Elaboración propia con base en datos de World Wind Energy Association 2008. World Wind Report. [4]

La producción de electricidad a través de la energía geotérmica, alcanzó los 60,000,000 MWh11 en 2006. De conformidad con la Agencia Internacional de Energía, los 10 países integrantes de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico que producen más energía geotérmica son: Estados Unidos, México, Islandia, Italia, Japón, Nueva Zelanda, Suiza, Turquía, Alemania y Portugal. Nuestro país cuenta con 964.5 MW de capacidad instalada, misma que tiene una generación bruta de 7,057,768 MWh, distribuida en cuatro centrales geotermoeléctricas.

Dentro de las energías renovables, la biomasa es la fuente que contribuye en mayor medida a la producción de energía primaria, aunque solamente el 7% es usado para generar electricidad, alrededor de 239,000,000 MWh.

A continuación se muestra la generación de electricidad a través de energías renovables a nivel mundial. (Fig1.2)

18

*Estimado (sumando las capacidades instaladas de tecnologías: solar fotovoltaica y termosolar, y considerando un trabajo diario de 5 horas por 365 días al año,

resulta una generación de 11.596 millones de MWh).

La energía oceánica, en comparación con las demás fuentes renovables, es la que menos contribuye a la generación de electricidad. Los países poseedores de tecnología para aprovechar este tipo de energía son: Reino Unido, Francia,

Estados Unidos, Canadá, China, Rusia y Noruega, mismos que apenas comienzan a comercializarla.

En la actualidad se encuentra en investigación y desarrollo una nueva generación de energías renovables. En ella destacan los concentradores solares, la energía oceánica, geotérmica avanzada y las biorefinerías.” [4]

1.2.2 ENERGÍAS RENOVABLES EN MÉXICO

“Actualmente, México cuenta con alrededor de 1,924.8 MW de capacidad instalada de generación eléctrica con base en energías renovables, que incluye la capacidad destinada al servicio público, cogeneración y autoabastecimiento, representando el 3.3%de la capacidad instalada en el servicio público del país. La figura 1.3 muestra la contribución de las energías renovables respecto a la capacidad instalada de generación eléctrica.

Figura 1.3 Elaboración propia con base en datos de la Comisión Reguladora de Energía y de la Comisión Federal de Electricidad. [4]

19

La Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y el Financiamiento de

la Transición Energética define a las “externalidades” como los “impactos positivos o negativos que genera la provisión de un bien o servicio y que afectan a una tercera persona. Las externalidades ocurren cuando los costos o beneficios de los productores o compradores de un bien o servicio son diferentes de los costos o beneficios sociales totales que involucran su producción y consumo.

Entre las medidas para mitigar los efectos que se derivan del cambio climático, se ha fomentado la creación de fondos internacionales para impulsar el desarrollo de proyectos de generación mediante fuentes renovables. El uso de estos fondos puede reducir los costos de dichos proyectos, incrementando su rentabilidad y promoviendo con ello, la inversión en dichas tecnologías.

Actualmente, la Secretaría de Energía trabaja en la elaboración de una metodología para el cálculo de las externalidades relacionadas con proyectos de generación eléctrica. Esto permitirá analizar otros impactos de este sector, definir las políticas pertinentes, de acuerdo con los resultados que se presenten, y complementar los esfuerzos que se realizan en las dependencias de la Administración Pública Federal.

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1.2.3 ENERGIA EOLICA

“Durante más de 15 años los debates en las diferentes Conferencias de las Partes (COPs o Conferences of the Parties, por sus siglas en inglés) que la Organización de las Naciones Unidas (ONU) organiza cada año, y a las cuales asisten científicos y representantes de más de 160 gobiernos están de acuerdo en que la utilización de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) está provocando un cambio climático dramático y de forma acelerada. El calentamiento global está ya exponiendo a millones de habitantes a los riesgos de hambre, sequía, inundaciones, huracanes, epidemias como la malaria y producirá pérdidas irreversibles de especies.

Formas de energías limpias y renovables, como la energía eólica, son esenciales si nosotros queremos detener el cambio climático. Las energías renovables son vitales para continuar con la transición energética desde formas de energía contaminante hacia formas de energía limpia que disminuyen las amenazas a nuestra salud y benefician un equilibrio para el desarrollo sustentable del medio ambiente durante los próximos años. Por Estas Razones la Energía Eólica Merece Nuestro Apoyo:

Es limpia. El poder del viento no produce desechos peligrosos, ni contribuye al calentamiento global.

Es abundante y confiable. México cuenta con uno de los recursos eólicos más importantes a nivel mundial en tierra, esto es en el Istmo de Tehuantepec, Estado de Oaxaca. La energía eólica del Istmo de Tehuantepec podría suministrarnos un 7% de las necesidades de energía eléctrica a nivel nacional.

Es económica. Dado los actuales costos elevados del gas y del petróleo, será más económica la generación de electricidad mediante el poder del viento.

Funciona. Dinamarca y España ya obtienen arriba del 20% de su electricidad mediante el poder del viento.

Crea empleos. La industria eólica podría traer miles de nuevos trabajos a México. De bajo impacto. A diferencia de otras tecnologías, los parques eólicos no son instalaciones que tengan un alto impacto en su entorno.

Es segura. La tecnología para aprovechar el viento se ha vuelto más confiable y segura y permite tener más certitud sobre la energía que se generará en el futuro hasta con 7 días de anticipación.

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La energía eólica se considera una forma indirecta de energía solar. Entre el 1 y 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento, debido al movimiento del aire ocasionado por el desigual calentamiento de la superficie terrestre. La energía cinética del viento puede transformarse en energía útil, tanto mecánica como eléctrica.

La energía eólica, transformada en energía mecánica ha sido históricamente aprovechada, pero su uso para la generación de energía eléctrica es más reciente, existiendo aplicaciones de mayor escala desde mediados de la década de los 70 en respuesta a la crisis del petróleo y a los impactos ambientales derivados del uso de combustibles fósiles. ” [5]

Ver Figura 1.4.

Fig.1.4 Aerogenerador Eje Vertical Uso Residencial

“Inove Ecoenergia”

PEQUEÑAS APLICACIONES

“Aunque no exista una clasificación convencional que defina las pequeñas instalaciones o también llamados pequeños aerogeneradores o turbinas micro-eólicas, se considera que son aquellas que tienen una potencia instalada inferior a los 100 kW.

Las pequeñas turbinas micro-eólicas, son parecidas a los grandes aerogeneradores, sin embargo constituyen un sector tecnológicamente diferente al de las máquinas de mediano y gran tamaño; los equipos micro-eólicos están dirigidos a mercados sectoriales muy específicos, con aplicaciones que requieren soluciones técnicas simplificadas y específicamente diseñadas.

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Las posibilidades de expansión de los equipos micro-eólicos son bastante amplias; aunque con diferentes potenciales (en términos geográficos y estacionales) el recurso viento es abundante sobre todo en nuestras costas y las posibles aplicaciones son numerosas. Los lugares en los que se pueden instalar pequeñas instalaciones eólicas son amplios y diversos, ya que los aerogeneradores de tamaño pequeño son muy versátiles y se instalan con mucho menos dificultades respecto a los grandes.

Adicionalmente, el impacto al medio ambiente de los aerogeneradores micro-eólicos es bastante bajo, ya que estos equipos tienen un tamaño mucho más pequeño respecto a los grandes aerogeneradores, por lo que necesitan espacios reducidos y son relativamente poco visibles. Además los aerogeneradores micro-eólicos están muy avanzados en términos técnicos, económicos y en sus aplicaciones. Son mayores los beneficios que las desventajas ya que favorecen la generación distribuida de energía eléctrica; evitan recurrir a otras formas de energía más contaminantes como motores de combustión interna que utilizan combustibles fósiles como diésel o gasolina; representan una forma de generación eléctrica distribuida, sencilla y limpia, es decir que la energía se consume en el sitio en donde se genera.”[5] Ver figura 1.5

Fig.1.5 Aerogenerador eje vertical “Catalogo Kliux Energies”

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GRANDES APLICACIONES

“Más de 15.000.000 millones de kW-h de electricidad se generan anualmente en todo el mundo. De esto, cerca del 65% es producido utilizando combustibles fósiles y el resto se obtiene de otras fuentes de energía, incluyendo nuclear, hidráulica, geotérmica, biomasa, solar y eólica.

Solamente cerca del 0.3% de esta energía es generada convirtiendo la energía cinética del viento en energía eléctrica, sin embargo, el uso del viento para la generación eléctrica se ha extendido rápidamente en años recientes, debido en gran parte a mejoras tecnológicas y a la maduración de la industria respecto a la creciente preocupación por reducir las emisiones asociadas a la quema de combustibles fósiles.

Un total de 27,051 MW eólicos se instalaron en todo el mundo a lo largo de 2008, según el Consejo Mundial de la Energía Eólica (Global Wind Energy Council-GWEC). La cifra representa un incremento de 36.1% respecto a los 19,865 MW nuevos instalados el año anterior. La potencia total acumulada en el mundo fue de 120,798 MW a finales de 2008, un 28.7% más que en 2007.

Todavía hay mucho lugar para crecer, pues solamente una pequeña parte del potencial eólico utilizable está siendo aprovechado en el mundo. La aplicación de regulaciones adecuadas hacia la industria eléctrica y el otorgamiento de incentivos suficientes por parte de los gobiernos, permite adoptar la energía eólica de manera más rápida y eficiente. Las políticas eficaces ayudan a allanar el camino y aseguran que la energía eólica compita con otras fuentes de energía en el mercado eléctrico.

Lo que está claro es que es inexacto pensar que la falta de recursos eólicos sea un factor limitante en la utilización de la energía eólica para la generación de electricidad. Los recursos eólicos mundiales se estiman en 53,000 TWh/año, en tanto que el consumo mundial de energía eléctrica está previsto que se incremente hasta los 25,818 TWh/año en 2020. El recurso eólico mundial total disponible y técnicamente recuperable supera por más del doble la proyección de la demanda eléctrica mundial.

Ventajas de la energía eólica a gran escala. La energía eólica tiene muchas ventajas que la hacen una fuente de energía atractiva tanto a gran escala como para pequeñas aplicaciones. Las características positivas de la energía eólica incluyen:

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Fig.1.6 Aerogeneradores en Copenhague Dinamarca

“Desarrollo económico local: Las plantas eólicas pueden proporcionar un flujo constante de ingresos a los propietarios de las tierras en donde existe el potencial eólico, quienes las arriendan para su aprovechamiento y permiten, además, aumentar la recaudación de impuestos territoriales para beneficio de las comunidades locales.

Tecnología modular, escalable y flexible: las aplicaciones eólicas pueden tomar muchas formas, incluyendo grandes granjas de viento, de generación distribuida y de pequeños sistemas eólicos para aplicaciones de uso final. Las aplicaciones se pueden planear inclusive, utilizando de manera adecuada y suficiente los recursos del viento para reducir los riesgos que surgen en el tiempo por el aumento del consumo final o por los costos adicionales e inesperados producidos por cortes de energía.

Estabilidad en el costo de la energía: La utilización de la energía eólica contribuye a reducir la dependencia de la energía convencional mediante la diversificación de fuentes de energía. La energía convencional, que utiliza combustibles fósiles como el petróleo y el gas natural, está sujeta a variaciones de precio y a una alta volatilidad en su disponibilidad. Por ello, la energía eólica es una excelente alternativa para estabilizar y homogeneizar los costos de energía de cualquier país.

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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.

Existen dos técnicas principales a partir de las cuales se ha buscado transformar la energía eólica en electricidad:

 La primera, que utiliza una máquina generadora de eje horizontal apoyada en lo alto de una estructura, cuyo rotor está provisto con hélices 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.

 La segunda, que utiliza un generador de eje vertical apoyado en el suelo con un rotor igualmente provisto de hélices 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.

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POTENCIAL ESTIMADO

“En México se han identificado diferentes zonas con potencial para la explotación eólica para la generación eléctrica, como en el Istmo de Tehuantepec, en el estado de Oaxaca, La Rumorosa en el estado de Baja California, así como en los estados de Zacatecas, Hidalgo, Veracruz, Sinaloa, y en la Península de Yucatán, entre otros. La Asociación Mexicana de Energía Eólica estima que estas zonas podrían aportar hasta 10,000 MW de capacidad al parque eléctrico nacional.

El mercado eólico mundial ha demostrado que esta tecnología y la industria asociada a ella pueden convertirse en una importante fuente de empleos, inversión, desarrollo tecnológico, integración industrial y creadora de nuevas empresas e infraestructura para el país, con beneficios ambientales.” [4]

MARCO JURÍDICO ESPECÍFICO

“En lo relativo al marco jurídico que resulta aplicable a la generación de electricidad a partir de la energía del viento, destinada a finalidades diferentes a la prestación del servicio público (autoabastecimiento, cogeneración, producción independiente, pequeña producción, importación o exportación), se debe observar lo dispuesto en la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica (Anexo 2. Marco Jurídico).

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. A través del proyecto Temporada Abierta se acordó la construcción de infraestructura y reforzamientos de transmisión para interconectar 2,473 Megawatts de proyectos eólicos públicos y privados en Oaxaca entre 2009 y 2012. Las inversiones estimadas de estos proyectos superan los 60 mil millones de pesos y se espera que hacia el 2012 el 4% de la energía eléctrica demandada en el país sea producida con energía eólica generando más de 10,000 empleos directos e indirectos durante la construcción y una demanda de 374 empleos para su operación. De acuerdo con la Prospectiva del Sector Eléctrico 2008-2017, en el año 2012 la Comisión Federal de Electricidad cuenta en México 593 Megawatts Instalados provenientes de generación eólica.

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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.” [4]

EL VIENTO

Una manifestación de las permanentes diferencias de presiones atmosféricas, que existen en nuestro planeta, es el movimiento del aire que no puede permanecer en reposo y se desplaza prácticamente sin cesar. Las corrientes constituyen los vientos.

Los vientos se definen por su dirección, sentido e intensidad (velocidad) por lo que se considera físicamente como un vector, que puede expresarse con esas tres componentes, aunque a veces puede existir una componente vertical por lo que el vector es tridimensional.

DIRECCION DEL VIENTO

“Las diferencias térmicas, generadas por calentamiento no uniforme en el suelo, originan diferencias de presión entre puntos de la superficie terrestre, la que a su vez está en rotación sobre un eje.

Las diferencias de presión provocan aceleraciones del movimiento del aire, inicialmente desde la zona de mayor presión a la de menor, siendo el viento una consecuencia de estas aceleraciones.

Al analizar los vientos, vemos que estos se insertan en un complejo de sistema sometido a un sinnúmero de aceleraciones, algunas inerciales, que nunca llegarían a determinar un estado de equilibrio final.

El viento, a su vez, trans"porta vapor de agua, pudiendo favorecer su concentración y dar lugar a la formación de nieblas, nubes y precipitaciones.

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Según sea la velocidad del viento, se pueden considerar tres tipos de definiciones:

- Viento instantáneo; se mide la velocidad del viento en un instante determinado

- Viento medio aeronáutico; se mide la velocidad media durante 2 minutos - Viento medio meteorológico; se mide la velocidad media durante 10

minutos

En meteorologia, a este proceso donde interviene la formacion de nubes se denomina conveccion propiamente dicha, denominandose adveccion al transporte horizontal de calor. El viento sopla desde las zonas de alta presion hacia las zonas de baja presion, en las latitudes medias y altas esa direccion se modifica por la rotacion e la tierra, el viento toma una direccion paralela a las isobaras, en sentido contrario a las agujas del reloj, alrededor de las areas ciclonicas y en el mismo sentido alrededor de las areas anticiclonicas y en l mismo sentido alrededor de las areas anticiclonicas en el hemisferio norte, mientras que en el hemisferio sur, los sentidos son inversos a aquellos. “[7]

FRICCION SUPERFICIAL

“El viento en los niveles mas bajos, y mas cercanos a la superficie, actua la friccion superficial debido a la rugosidad del suelo. Dicha friccion causa dos efectos en el viento

 Reduccion en su magnitud

 Desvio hacia las bajas presiones

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MEDICION DEL VIENTO

“La direccion del viento se asigna de acuerdo con el lado de donde sopla, las observacones demuestran que la direccion del viento varia continuamente alrededor de una direccion media. Los registros diarios permiten establecer para cada lugar un diagrama polar que permite conocer los tiempos relativos expresados en tanto por ciento, durante los cuales el viento ha soplado en una dirección determinada. Pueden establecerse esta clase de diagramas para lapsos variables. La longitud de los vectores es proporcional a la velocidad media del viento en la dirección considerada. Así se puede conocer la variación media del viento tanto durante un año como a lo largo del día. La velocidad del viento se determina con los anemómetros. Existen varios tipos de rotación (cucharas de paollon y robinson, de aletas oblicuas de jules richar, de canalones de aillerete), anemómetro de presión (de bola y cuadrante, de tubo de pitot, best romani, de ráfagas era, anemoclinometro imfl) anemómetros de sección variable (ventimetros, rotámetros).

Para obtener las magnitudes fundamentales necesarias para el dimensionamiento de un equipo, se emplean anemometros acoplados o aparatos registradores con el objeto de tener la variacion de la inensidad del viento en funcion del tiempo. Se ha establecido una escala de velocidades de vientos llamada Beaufort que las clasifica en 17 categorias.Ver tabla 1.2.

Grados

Beaufort de Nudos a de m/s A de Km/h a Descripcion

0 < 1 0 0.2 < 1 Calma

1 1 3 0.3 1.5 1 3 Ventolina

2 4 6 2.1 3.1 7.4 11.1 Brisa suave

3 7 10 3.6 5.1 13 18.5 Brisa leve

4 11 16 5.7 8.2 20.4 29.7 Brisa moderada

5 17 21 8.8 10.8 31.5 38.9 Viento refrescante

6 22 27 11.3 13.9 40.8 50 Viento fuerte

7 28 33 14.4 17 51.9 61.2 Viento muy fuerte

8 34 40 17.5 20.6 63 74.1 Temporal

9 41 47 21.1 24.2 76 87.1 Temporal fuerte

10 48 55 24.7 28.3 89 101.9 Temporal muy fuerte

11 56 63 28.8 32.4 103.8 116.8 Tempestad

12 64 71 32.9 36.5 118.6 131.6 Huracan

13 72 80 37.1 41.2 133.4 148.3

14 81 89 41.7 45.8 150.1 164.9

15 90 99 46.3 51 166.8 183.5

16 100 108 51.5 55.6 185.3 200.1

17 109 118 56.1 60.7 202 218.7 Ciclon

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La circulación atmosférica tiene lugar en la troposfera, zona inferior de la atmosfera que contiene 4/5 de la masa de esta y cuyo espesor alcanza 7km en el polo y 17km en el ecuador. Tiene su origen en dos causas fundamentales:

 La radiación solar, más intensa en los polos, es el factor más importante.

 La rotación de la tierra, que produce desvíos de los vientos hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur y por efecto centrifugo una sobre-elevación de la altura de la atmosfera en el ecuador.

El aumento de la velocidad del viento, a medida que nos separamos del suelo, es un fenómeno bien conocido. Así de 2 m/s a 20 m de altura la velocidad del viento pasa a 7 u 8 m/s a 300 m de altura. La reducción de la velocidad en las proximidades del suelo se debe a la reducción experimentada por la vegetación, construcciones y obstáculos de otras clases.” [7]

ENERGIA UTILIZABLE POR LOS AEROGENERADORES

“Los aerogeneradores arrancan a partir de una determinada velocidad del viento, para ciertos tipos, esta velocidad de arranque puede ser muy pequeña, del orden de 2 m/s, para otros es un tanto más importante 3 m/s y hasta 5 m/s. de esto se deduce que la energía del viento cuya velocidad es menor a un cierto valor Vm no es utilizable.

Lo mismo sucede con la energía de vientos de gran intensidad que suponen un peligro para la misma instalación. Las maquinas eólicas empleadas para la generación de energía eléctrica, se pueden clasificar en dos grandes grupos, según el eje de rotación de las palas sea horizontal o vertical.

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Fig. 1.7 Energía Cinética del Aire

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1.2.4 ENERGIA SOLAR

Considerando la capacidad energética del Sol, la cual perdurará durante millones de años, así como la privilegiada ubicación de México en el globo terráqueo, la cual permite que el territorio nacional destaque en el mapa mundial de territorios con mayor promedio de radiación solar anual (Figura 1.8), con índices que van de los 4.4 kWh/m² por día en la zona centro, a los 6.3 kWh/m² por día en el norte del país (Figura 1.8), resulta fundamental la adopción de políticas públicas que fomenten el aprovechamiento sustentable de la energía solar en nuestro país.

Existen dos tipos de energía solar, caracterizados por la tecnología en que basan el aprovechamiento de la radiación del sol:

 La Fotovoltaica

 La Termosolar

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Fig. 1.9 Mapa De Radiación Solar Por Día En El Territorio Nacional Mexicano (kWh/m²). [8]

En primer término, la energía solar fotovoltaica consiste en la transformación de la radiación solar en electricidad a través de paneles, celdas o módulos fotovoltaicos, hechos principalmente de silicio y formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que, al recibir radiación solar, se excitan y provocan saltos electrónicos, generando electricidad.

La capacidad de las celdas para convertir la radiación solar en electricidad, depende del material del que estén hechas.

La figura 1.10 Muestra la diferencia en potencia generada respecto a la superficie.

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Considerando la capacidad de generación de electricidad que poseen estos dispositivos, su principal uso se da en actividades que requieren poca potencia eléctrica, como estaciones meteorológicas o de comunicaciones, o en lugares donde el acceso del Sistema Eléctrico Nacional se complica. Sin embargo, en la medida en que se promueva la utilización de la energía solar fotovoltaica, se consolidará la industria en la materia y se desarrollarán nuevas tecnologías para el incremento de las capacidades de generación eléctrica.

CAPACIDAD INSTALADA

“Se estima que la capacidad total de las instalaciones fotovoltaicas en México es de 18.5 MW, que generan en promedio 8,794.4 MWh por año.

En el mundo existe una capacidad instalada de generación de electricidad a partir de la tecnología fotovoltaica de más de 16,000 MW.

En el caso de México, prácticamente todas las instalaciones fotovoltaicas que existen en el país se encuentran en comunidades rurales aisladas de la red eléctrica, y muchas de ellas fueron instaladas por medio de programas gubernamentales de electrificación rural, como el Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO).”[4] La figura 1.11 muestra una central en Francia de un Sistema Fotovoltaico

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MARCO JURÍDICO ESPECÍFICO DE LA TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA

“En lo relativo al marco jurídico para la interconexión de la electricidad generada a partir de esta fuente con el Sistema Eléctrico Nacional, los generadores deben celebrar un contrato con los suministradores del mismo, es decir, la Comisión Federal de Electricidad o Luz y Fuerza del Centro, cuyo formato fue publicado el 27 de junio de 2007 en el Diario Oficial de la Federación. “ [4]

TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Los sistemas de generación de energía eléctrica por medios fotovoltaicos se pueden clasificar de la siguiente manera:

 Sistemas aislados, también conocidos como OFF GRID.

 Sistemas híbridos (es el sistema que se propone para el proyecto).

 Sistemas conectados a la red eléctrica conocidos como ON GRID.

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Fig1.12 Marquesinas Fotovoltaicas en Centro Tecnológico Palmas Altas España

Dentro de la tecnología actual existen varios tipos de baterías las que nos proporcionan una gran durabilidad como las baterías de plomo acido las que cuentan con una vida de 6 años. Para poder tener un buen funcionamiento de las baterías en los sistemas autónomos es necesario contar con un regulador de carga.

Los sistemas fotovoltaicos aislados necesitan la energía generada sea la suficiente para abastecer la carga y recargar las baterías al mismo tiempo, obviamente en el día.

Los componentes que se utilizan en una instalación se ilustran en la figura 1.12. Y son los siguientes:

 Modulo fotovoltaico.

 Controlador de carga.

 Batería.

 Inversor.

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Figura 1.13. Sistema fotovoltaico autónomo. [9]

En los sistemas híbridos puede existir otra fuente de generación eléctrica aparte del sistema fotovoltaico en algunos de los casos se conjugan con sistemas de generación por biomasa, térmicos, eólicos, etc.

Los sistemas híbridos cuentan con los siguientes elementos que se muestran en la figura 1.14

 Modulo fotovoltaico.

 Generador alternativo (eólico, biomasa, térmico).

 Controlador de carga.

 Banco de baterías.

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Figura 1.14 Sistema hibrido Eólico – Fotovoltaico [10]

Los sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica son los más comunes dentro de las instalaciones ya que ahorra parte de la inversión inicial además de su mantenimiento en cuestión de que no utilizan banco de baterías Los principales componentes para una instalación fotovoltaica interconectada a la red. Constan primordialmente de:

 Arreglo fotovoltaico.

 Inversor.

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Fig. 1.15 Sistema fotovoltaico interconectado a la red. [11]

El arreglo fotovoltaico está constituido de varios módulos, el número de unidades depende de la carga demandada en la instalación, es necesario extraer la máxima potencia disponible en el arreglo fotovoltaico bajo cualquier condición de operación, por lo que el inversor incorpora entre sus funciones un elemento de control que monitorea el punto de máxima potencia del arreglo fotovoltaico (Maximum Power Point Tracking - MPPT) mediante un ajuste en la impedancia de carga.

Los sistemas interconectados cuentan con la característica de tener fluctuaciones por lo que es importante contar con un elemento de desacoplamiento de potencia, por el hecho de que la potencia que se transfiere a la red eléctrica es pulsante, con una frecuencia mucho mayor de la tensión presente en está provocando que los módulos fotovoltaicos no operaran en el punto de máxima potencia.

El inversor se encarga de convertir la corriente directa producida por el panel fotovoltaico en corriente alterna, toda instalación fotovoltaica puede estar sujeta en referencia a la normatividad correspondiente, por ejemplo la norma;

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1.2.5 ENERGIA TERMOSOLAR

La energía termosolar consiste en el aprovechamiento de la radiación solar para la captación y almacenamiento de calor. Consiste en colectores termosolares que reciben radiación solar y la transforman en calor, operan bajo alguna de las siguientes modalidades:

Transmisión a un tanque de almacenamiento el cual envía el calor a su uso final. El uso más común del calor derivado de la energía termosolar es para calentar fluidos en contenedores, el cual puede ser desde un calentador doméstico o una alberca, hasta algún contenedor de gran tamaño para la utilización del fluido caliente en alguna de las etapas de producción de una industria. Sin embargo, el calor almacenado también puede ser utilizado para otros fines, aun cuando no haya radiación solar, como la preparación de alimentos mediante estufas solares, o para su uso en sistemas de calefacción y aire acondicionado.

Se trata de una transmisión directa a un fluido para generar vapor de manera directa o indirecta.

Ésta se aprovecha de manera igualmente directa en procesos industriales, o bien, se hace pasar por turbinas para la generación de electricidad, inclusive a gran escala como se ilustra en la figura 1.16