Evaluación, aplicación, difusión y abastecimiento de un sistema de generación eólica

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(1)Evaluación, aplicación, difusión y abastecimiento de un sistema de generación eólica. Evaluation, implementation, distribution and supply of wind power generation system. Recibido: julio 10 de 2015 | Revisado: agosto 21 de 2015 | Aceptado: octubre 02 de 2015. Ana Quispe1 Jorge Calderón. A b s t r ac t This research was initiated due to the low diffusion of the use of wind power is our country and aims to be an example in order to increase the use and dissemination of this type of renewable energy. It’s mainly an assessment of the use and application of a wind power generation system, which will have a power supply that enables use over an untimely power cut. The analysis of the actual data obtained from readings of airspeed allowed us to establish how to use the energy from the wind powered generator, determining that it has a major influence in the place of the location of the generator, the temperature and the time required to obtain the renewable energy. Keywords: wind power, generator, renewable energy Resumen Esta investigación se inició debido a la baja difusión de la utilización de la energía eólica en nuestro país y pretende ser un ejemplo para aumentar el uso y la difusión de este tipo de energía renovable. Es básicamente una evaluación de la utilización y aplicación de un sistema de generación de energía eólica, que contará con una fuente de alimentación que permita su utilización durante un corte de energía a destiempo. El análisis de los datos reales obtenidos de las lecturas de velocidad del aire, nos permitió establecer cómo utilizar la energía del generador de energía eólica, determinando que ejerce mucha influencia en el lugar de la ubicación del generador, la temperatura y el tiempo de obtención de la energía renovable. Palabras clave: energía eólica, generador, energía renovable. 1 Facultad de Ingeniería y Arquitectura. de la Universidad de San Martín de Porres. [email protected]. | Campus | Lima, perú | V. XX | N. 20 | PP. 57-68. julio-diciembre | 2015 | issn 1812-6049. 57.

(2) Ana Quispe, Jorge Calderón. Introducción La presente investigación es una contribución a la búsqueda de fuentes de energías renovables, ya que nuestra matriz energética está por lo general basada, fundamentalmente, en hidrocarburos y es la energía eólica una fuente de energía renovable que ofrece a las generaciones venideras, una esperanza de un futuro en el que el mundo no dependa de la energía no renovable, la cual genera mucha contaminación. Nuestra preocupación nace como una solución a una situación que ha llamado la atención y es el alto grado de consumo de energía eléctrica en las instalaciones de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de San Martín de Porres. Asimismo, somos partícipes del uso de energías que apoyen al medio ambiente, que no generen residuos peligrosos como el dióxido de carbono y que no produzcan otros contaminantes asociados con la generación de energía a partir de combustibles fósiles. Los cambios climáticos que se están presentando en el mundo actual han originado que el uso de la energía eólica vaya cada vez más en aumento; por ello, se requieren utilizar formas de obtención de energía que no afecten el ambiente. El Perú no es ajeno a estos cambios y por eso el Estado Peruano ha decidido impulsar la aplicación de las energías renovables. El buen uso de los recursos naturales, como manera de combatir el cambio climático global, ha motivado, en gran medida, a que realicemos esta investigación, de manera que se pueda utilizar un generador eólico que mantenga el alumbrado en las aulas y/o laboratorios de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de San Martín de Porres. Es importante tomar en cuenta que el generador eólico no genera ruidos molestos en la ingeniería moderna. Los ruidos se han re-. 58. ducido a gran escala, esto es ventajoso puesto que no generará incomodidad entre el personal docente, administrativo y alumnos. 1. Energía eólica La energía eólica es aquella que procede del movimiento del aire o viento. El viento puede ser de diferente velocidad, en diferentes puntos de la Tierra y también se ve afectada por la densidad del aire. La velocidad del viento está cambiando continuamente, por tanto, es deseable describirlo de acuerdo con los modelos probabilísticos. La densidad de probabilidad función (pdf ) de la velocidad del viento es importante en numerosas aplicaciones de la energía eólica (Nemes y Munteanu, 2010). 1.1 Ventajas y desventajas de la energía eólica Entre las ventajas, podemos nombrar que la energía eólica es renovable porque proviene de fuentes naturales inagotables, no contamina, y es capaz de regenerarse por medios naturales. Asimismo, podemos decir que las instalaciones eólicas tienen un pequeño impacto ambiental y son fuentes que pueden competir con otras fuentes energéticas tradicionales como las centrales térmicas de carbón. Es importante tener en cuenta que la energía eólica es fácil de integrar en redes de potencia eléctrica ya existentes. Como desventaja se puede mencionar, que en ocasiones, la velocidad del viento es muy baja y no logra cubrir las necesidades de energía que se requiere. Si se quiere lograr mayor. | Campus | V. XX | No. 20 | julio-diciembre | 2015 |.

(3) Evaluación, aplicación, difusión y abastecimiento de un sistema de generación eólica. energía se tiene que recurrir al uso de equipos eólicos más grandes, que son más costosos y muchas veces no se cuenta con espacio ni instalaciones para colocarlos. En diversos lugares, el viento adquiere diversas velocidades y esto se debe a diversos factores como la temperatura y la brisa de mar que afectan su origen, por lo que si se quiere ubicar un equipo eólico, en un distrito, en el que no haya mucho viento, este no será de gran utilidad, porque la energía no cubrirá las necesidades específicas.. La utilización de la energía eólica para la generación de electricidad desempeñará un papel importante en el suministro de electricidad en muchos países del futuro. En Alemania, actualmente, representa aproximadamente el 6% del suministro de electricidad. Su participación se prevé que aumente alrededor del 15% en el año de 2020 (Sanz-Casado, García-Zorita, Eleazar Larsen e Ingwersen, 2007). 1.3 Naturaleza del viento. El viento está presente en la superficie de la Tierra, conocido como el movimiento de los gases que rodean 1.2 Uso del viento como energía un planeta o cuerpo astronómico. viento, este no será de gran utilidad, porque la energía no cubrirá las necesidades Alrededor del 1 al 2% de la energía Según la Asociación Mundial de específicas. que proviene del sol se convierte en Energía Eólica (WWEA, 2013), el energía eólica. uso de la energía eólica ha ido en un .2 Uso del viento como energía aumento cada vez mayor y esto se A escala global, se debe a la diferenpuede demostrar, en el último reporde temperatura que provoca la Según la Asociación Mundial de Energía Eólica (WWEA) el uso de cia la energía te publicado en su sitio Web, donenergía solar sobre las distintas parde precisan la capacidad eólica ha ido en un aumento cada vezque mayor y esto se eólica puede demostrar entessudel último globo terrestre. Las diferencias en todo el mundo alcanzó 296’255 de densidad y presión originadas por reporte publicado en su MW sitio Web donde la capacidad eólicaestas en todo el a finales de precisan junio de que 2013, de variaciones de temperatura son los cuales 13’980 MW se incremenlas causas mundo alcanzó 296'255 taron MW aenfinales de junioseisde 2013, MW sedel movimiento de las malos últimos meses de dellos cuales 13'980 sas de aire (Villarrubia, 2012). año. Este aumento es menor que incrementaron en los últimos seis meses del año. Este aumento es menor que el que el que se registró a mediados de los Los vientos se originan a causa de la y 2012. se registró a mediados deaños los 2011 años 2011 y 2012. presión atmosférica y las diferencias se producen debido a las diferentes temperaturas que tenemos en el planeta. El aire frío tiende a desplazarse hacia abajo, mientras que el aire caliente se desplaza hacia arriba.. Figura 1. Capacidad eólica en todo el mundo Figura 1 Capacidad eólica en todo el mundo World Wind Energy Association (2013). World Wind Energy Association (2013). Desde años anteriores, en la agricultura, se utilizaban molinos de viento para moler granos y bombear el agua del subsuelo y lo marineros utilizaban velas para capturar el viento y realizar sus viajes. En los últimos años, el uso de las turbinas eólicas para generar energía ha ido en aumento. Pero eso aún es poco ya que constituyen una pequeña. | V. XX para | No.la20generación | julio-diciembre | 2015 desempeñará | La utilización de| Campus la energía eólica de electricidad. un papel importante en el suministro de electricidad en muchos países del futuro. En. 59.

(4) .5 1.5. Ana Quispe, Jorge Calderón. fracción de toda la energía utilizada en el mundo.. (después de 7% en el mismo periodo de 2012 y el 9% en 2011) y (a mediados mediadosdede2013 2013 comparación el 16,6% año 2012). En comparación, (a en en comparación con con el año 2012). Enunacomparación, la anual un sobre base anual (a 1.4 Potencia eólica mediados de 2013 en comparación el año 2012). En comparación, tasa de decrecimiento crecimiento el año deusar2012 fueconsignificativamente (19% tasa endelen elviento año 2012 fue significativamente mayor mayor (19%). SanzLa energía se de puede la anual tasa de crecimiento en el para generar la potencia eólica; de año de 2012 fue significativamente Casado et al. (2007). esta manera, un sistema de energía del Casado et al. (2007). mayor (19%) (Sanz-Casado et al., viento transforma la energía del vien2007). to en energía mecánica o eléctrica.. La energía energíacontenida contenida el viento es energía La potencia que transp La en en el viento es energía cinética. Lacontenida potencia transporta una Lacinética. energía en que el viento Todas las turbinas eólicas instaladas, es energía cinética. La potencia que. alrededor del mundo, a mediados del corriente dedeaire aire puede calcular recordando se dedefine como la transporta corriente aire se la corriente se se puede calcular recordando que una seque define como energía año 2013 pueden generar alrededor. puede calcular recordando que se dedel 3,5% de la demanda de electricifine como la energía utilizada o con-manera, utilizadaooconvertida convertida unidad de tiempo, la siguiente Vil utilizada porpor unidad de tiempo, de la de siguiente manera, Villarrubia dad de la población mundial. vertida por unidad de tiempo (Villerrubia, 2012), de la siguiente manera La (2012).Figura Figura (2012). 2 2capacidad eólica mundial creció (Figura 2): un 5% en un plazo de seis meses. 2 ]/τ = (1/2)ρ1/2) 2 = (1/2)ρ1 3 2 2 [(1/2)(ρ(1 2 3 =cE/τc=/τ[(1/2)m = [(1/2)m = [(1/2)(ρ(1 τ) u 0 ρ =ρ E τ) u 02 = (1/2)ρ1 u 0(1/2)ρ1/2) u0 u 0 ]/τu 0=]/τ u 0 ]/τ = u0. Donde: Donde:. Donde: -5 -5 = densidad del aire = 1,2256 ; m ==masa ρ =ρ densidad del aire = 1,2256 ; m = masa ρV; V==ρV; A V=A kgm kgm. = área barrida; = longitud recorrida en la de unidad de=tiempo = AA = área barrida; l/τ =l/τ longitud recorrida en la unidad tiempo ,y = velocidad no perturbada del viento. =0velocidad no perturbada del viento. 0u u 0u, y 0u Figura 2. Fórmula de potencia que transporta una corriente de aire. Figura2.2. Fórmula Fórmula potencia transporta una corriente Figura de de potencia que que transporta una corriente de aire de aire 1.5 Variabilidad de la velocidad el viento. durante el día, dado que la mayor parte de la energía eólica se produce en horario diurno y ello es favorable.. La velocidad del viento es muy variable, esto se comprueba las meVariabilidadde de velocidad el viento El conocimiento de las propiedades Variabilidad la la velocidad elenviento diciones efectuadas en el análisis de estadísticas de la velocidad del viento La velocidad velocidaddel viento es variable, esto se lacomprueba las me La viento esya que muy variable, estoes esencial se comprueba ende lalas mediciones estadel investigación, elmuy contenipara predicción sa- en do energético del viento varía contilida de energía de un sistema de conefectuadasenenel elanálisis análisis esta investigación, el (Sanz-Cacontenido energé nuamente. Por tanto, la turbina eóefectuadas de de esta investigación, ya que elque contenido energético del versión deya energía eólica lica limita la producción de energía sado, García, Eleazar, Larzen & Inconforme varíe el viento. qwersen, 2013).eólica viento varía continuamente. Por tanto, la turbina la produc viento varía continuamente. Por tanto, la turbina eólica limita limita la producción de En nuestro planeta, el viento sopla energíaconforme conforme varíe elelviento. energía varíe el viento. más fuerte durante día que en la. Debido a que el viento varía en diferentes horas y dependiendo del lunoche. Estas variaciones se deben a gar, es relevante medir y analizar la las diferencias de temperatura entre energía y con esto establecer en qué En nuestro nuestroplaneta, planeta, viento sopla durante día que en la Estas noch En el el viento sopla más fuertefuerte durante día el que enenergía la noche. la superficie del mar y la terrestre. El más momento seelobtendrá mayor viento presenta turbulencias y tiende y en qué lugar sería más conveniente a cambiar rápidamentede temperatura variacionessesedeben deben adirección las diferencias de temperatura entre la superficie variaciones adelas diferencias superficie del mar del y la colocar elentre equipo la eólico.. superficieterrestre. terrestre.El El viento presenta turbulencias y tiende a cambiar de d superficie viento presenta turbulencias y tiende a cambiar de dirección 60. | Campus | V. XX | No. 20 | julio-diciembre | 2015 |. rápidamentedurante durante el día, dado la mayor de la energía eólica se rápidamente el día, dado que que la mayor parte parte de la energía eólica se produce.

(5) Evaluación, aplicación, difusión y abastecimiento de un sistema de generación eólica. 1.6 Equipos de medición de velocidad del viento Por lo tanto, la turbina eólica tendrá limitada la producción de energía conforme varíe el viento. Los instrumentos de medición de la velocidad del viento se conocen como anemómetros. La dirección del viento se mide ya sea usando un equipo de medición para condiciones climatológicas (menguante de tiempo) o por medio del anemómetro mismo (Nemes y Munteanu, 2011). Existen los anemómetros de rotación, de tubo de Pilot, de hilo caliente, de medición por ultrasonido, láser, o efecto Doppler (SODAR). Los anemómetros rotatorios son, por lo general, para uso industrial y comercial, miden la velocidad, el volumen y temperatura del aire. Son los más utilizados debido a su facilidad de uso y obtención de resultados. Actualmente, existen modelos digitales que facilitan ver los resultados. Los anemómetros de rotación son de tipo cazoleta o de hélice. Debido a la simplicidad y suficiente exactitud, los anemómetros de hélice se utilizan con mayor regularidad; asimismo, permiten hacer una medición a distancia. Para poder seleccionar el anemómetro adecuado para hacer las mediciones de viento debemos tener presente lo siguiente:. c. Calibración y precisión del equipo. 2. Uso de la energía eólica El uso de la energía del viento o energía eólica data de muchos años atrás en que fue utilizada comúnmente en procesos mecánicos. La energía procedía a través de grandes molinos de viento, luego era transformada y entregada a través del eje de la turbina. Esta energía obtenida fue utilizada en procesos mecánicos como bombear agua, moler granos y en los últimos años, para la generación de la electricidad. El uso de la energía eólica cada vez está tomando mayor importancia en el mundo y en las investigaciones. Este tema está en crecimiento y se debe a que esta energía no afecta al medio ambiente, no causa daños, desastres ecológicos. Tampoco contribuye al agrandamiento de la capa de ozono, al calentamiento global ni emite gases tóxicos. En el año 2011, la energía eólica representó el 30% de la nueva capacidad de energía renovable en la Unión Europea con las nuevas instalaciones de energía solar que constituyen la mayor proporción (66%). En la mezcla de capacidad de energía total de la Unión Europea, la cuota de energía eólica es del 10% y la Energía Solar del 5% (Al-Shemmeri, 2010). 3. Instalaciones eólicas 3.1 Tipos de generadores eólicos. a. Alineación entre la velocidad del viento y la señal de salida.. Existen dos tipos de generadores eólicos: de eje horizontal y de eje vertical (Qian y He, 2011).. b. La medida de la velocidad no debe ser afectada por las variaciones de densidad, temperatura, presión y humedad del aire.. En la Figura 3, podemos ver la clasificación de los generadores. Los de eje horizontal son los más utilizados y de mayor potencia. Utili-. | Campus | V. XX | No. 20 | julio-diciembre | 2015 |. 61.

(6) Ana Quispe, Jorge Calderón. zan las hélices para atrapar el viento Uno de los principales problemas a través de las hojas de rotación y con la tecnología de eje horizontal luego impulsan el generador eléces que tiene problemas para aprotravés de las hojas de rotación y luego impulsan el generador eléctrico. Los modelos trico. Los modelos más grandes se vechar las velocidades más bajas, en Uno de los principales problemas concon la tecnología eje horizontal es que ti encuentran en los parques eólicos. comparación las nuevasdeturbimás grandes se encuentran en los parques eólicos. nas eólicas de eje vertical de gran problemas para aprovechar las velocidades más ybajas, en comparación con altitud. nuevas turbinas eólicas de eje vertical y de gran altitud.. Por lo general, los elementos principales de un generador eólico son:. Por lo general, los elementos principales de un generador eólico son: •. El rotor. •. La caja de engranajes • La caja de engranajes. Figura 3. Tipos de turbinas de viento (Qian y. •. El rotor. • •. Un generador El sistema de control y protecLa turbina de poder de viento vertical no necesita estar frente a la dirección del aire • El ción La turbina de poder de viento ver-sistema de control y protección cuando esta cambie. Esto es una gran ventaja en comparación con los ejes de la turbina • La torre tical no necesita estar frente •a laLa di-torre • La base rección del aire cuandodeesta cambie. sino que también eólica horizontal. Esto no solo simplifica el diseño la estructura, La base Esto es una gran ventaja en •compareduce la fuerza de la tapa superior cuando la rueda de viento esté frente aEn la dirección la Figura 4, podemos ver la estructura ración con los ejes de la turbina En laeóFigura 4, podemos ver eólico, la estructura de un molinoque eólico, una construcc de un molino una construcción del viento. Silva y Montoya (2008). lica horizontal. Esto no solo simplipuede llegar a medir hasta 200 metros de alque puede llegar a medir hasta 200 metros de altitud. fica el diseño de la estructura, sino titud. Uno de los principales problemas con la reduce tecnología de eje de horizontal es que tiene que también la fuerza la tapavelocidades superior más cuando rueda de problemas para aprovechar las bajas,la en comparación con las más viento esté frente a la dirección del nuevas turbinas eólicas de eje vertical y de gran altitud. viento (Silva y Montoya, 2008). Figura 3. Tipos de turbinas de viento. Qian y He (2011). • Un generador He, 2011).. Uno de los principales problemas con la tecnología de eje horizontal es MATERIALES Y MÉTODOS que tiene problemas para aprovechar Figura 4. Componentes de un generador eólico las velocidades más bajas, en compa3.2 Componentes de un generador eólico ración con las nuevas turbinas eólicas La turbina de poder de viento frente a la direcciónFigura del aire 4. Componentes de un generador eólico 3.3 Diseño de generadores eólicos de ejevertical verticalnoynecesita de gran estar altitud. 3.3 Diseño de generadores eólicos cuando esta cambie. Esto es una gran ventaja en comparación con los ejes deEn la el diseño de generadores eólicos,. Materiales y método Ende el ladiseño de generadores eólicos, tenemos que tener en cuenta las siguien tenemos que tener en cuenta las siturbina eólica horizontal. Esto no solo simplifica el diseño estructura, sino que consideraciones: guientes consideraciones: también reduce la fuerza de la tapa superiordecuando la rueda de viento esté frente a 3.2 Componentes un generador • Como los generadores están sujetos a fuerzas fluctuantes, se deben te eólico la dirección del viento. Silva y Montoya (2008). consideraciones básicas de carga.los generadores están • Como. La turbina de poder de viento versujetos fuerzas fluctuantes, se • Los tipos de generadores que seavan a utilizar, son máquinas de eje horizonta tical no necesita estar frente a lavertical. dideben tener consideraciones bárección del aire cuando esta cambie. sicas de carga. Esto es una gran ventaja en comparación con los ejes de la turbina eó• 9 Los tipos de generadores que se lica horizontal. Esto no solo simplivan a utilizar, son máquinas de fica el diseño de la estructura, sino eje horizontal y vertical. que también reduce la fuerza de la • Utilización de generadores con tapa superior cuando la rueda de rotor barlovento (rotor con cara viento esté frente a la dirección del al viento) o sotavento (rotor siviento (Silva y Montoya, 2008).. 62. | Campus | V. XX | No. 20 | julio-diciembre | 2015 |.

(7) Evaluación, aplicación, difusión y abastecimiento de un sistema de generación eólica. tuado en la cara a sotavento de la torre). •. •. 4. Evaluaciones de uso de un generador eólico 4.1 Estudio de la velocidad del aire. Las palas que debe tener el generador eólico, por lo general, tienen diseños tripala, con el rotor barlovento.. Con el fin de implementar un sistema de energía eólica se tomaron algunas muestras de la velocidad del aire en el distrito de La Molina, lugar donde se encuentra ubicada la Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Los resultados se pueden observar en la Tabla 1.. Tener en cuenta un bajo ruido mecánico y aerodinámico en generadores eólicos.. Tabla 1 Estudio de la velocidad del aire (velocidad y temperatura) Fecha. Hora. Velocidad m/s. Velocidad TempeKm/h ratura. 14/02/2014. 16:00. 4.5. 12.5. 14/02/2014. 18:00. 2.5. 6.94. 14/02/2014. 20:00. 1.5. 14/02/2014. 22:00. 1.5. 17/02/2014. 16:00. 17/02/2014. 18:00. 17/02/2014. 20:00. 17/02/2014 18/02/2014. Velocidad Velocidad Tempem/s Km/h ratura. Fecha. Hora. 27.3. 24/02/2014. 16:00. 1.2. 3.33. 25.1. 22.5. 24/02/2014. 18:00. 3.5. 9.72. 25. 4.17. 22.3. 24/02/2014. 20:00. 4.2. 11.67. 24.1. 4.17. 22. 24/02/2014. 22:00. 4.4. 12.22. 23.4. 4. 11.11. 27.6. 25/02/2014. 10:00. 2.6. 7.22. 28.4. 2.6. 7.22. 24.2. 25/02/2014. 12:00. 2.4. 6.67. 28.8. 1.4. 3.89. 22. 25/02/2014. 14:00. 3.8. 10.56. 28.1. 22:00. 1.3. 3.61. 21. 25/02/2014. 16:00. 3.2. 8.89. 27.8. 10:00. 3.4. 9.44. 28.2. 26/02/2014. 16:00. 3.8. 10.56. 26.2. 18/02/2014. 12:00. 4.6. 12.78. 28. 26/02/2014. 18:00. 4.2. 11.67. 26.8. 18/02/2014. 14:00. 4.2. 11.67. 28. 26/02/2014. 20:00. 3.6. 10. 25.2. 18/02/2014. 16:00. 3.8. 10.56. 27.8. 26/02/2014. 22:00. 4.8. 13.33. 25. 19/02/2014. 16:00. 2.4. 6.67. 28. 27/02/2014. 10:00. 2.5. 6.94. 28.3. 19/02/2014. 18:00. 1.5. 4.17. 24. 27/02/2014. 12:00. 3.8. 10.56. 28.1. 19/02/2014. 20:00. 2.2. 6.11. 23.5. 27/02/2014. 14:00. 4.5. 12.5. 27.8. 19/02/2014. 22:00. 0.5. 1.39. 21.2. 27/02/2014. 16:00. 4.8. 13.33. 27.7. 20/02/2014. 10:00. 4.2. 11.67. 28. 28/02/2014. 16:00. 3.1. 8.61. 26.3. 20/02/2014. 12:00. 3.4. 9.44. 27.6. 28/02/2014. 18:00. 4.3. 11.94. 26.5. 20/02/2014. 14:00. 2.8. 7.78. 28. 28/02/2014. 20:00. 4. 11.11. 26.1. 20/02/2014. 16:00. 3.3. 9.17. 27.3. 28/02/2014. 22:00. 4.6. 12.78. 26. Para hacer las pruebas de la velocidad del aire cuyos resultados se encuentran en la Tabla 1, se utilizó un anemómetro digital de rotación tipo hélice marca Benetech que fue adquirido por la Facultad de Ingeniería y Arquitectura debido a que entre los diversos modelos que hay en el mercado, era el que mejor se acoplaba a las necesidades de la investigación.. Pab.. Generales. Laboratorios. Pab.. 4.2 Áreas donde hay mayor influencia del viento en Lima En el estudio realizado por el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú (SENAMHI) en el año 2008, vemos que la información horaria de viento superficial (velocidad y dirección) correspondiente al mes de agosto es de 15 m/s para el período matutino (07:00 – 11:00), vespertino (12:00. | Campus | V. XX | No. 20 | julio-diciembre | 2015 |. 63.

(8) matutino (07:00 – 11:00), vespertino (12:00 – 18:00) y nocturno (19:00 – 06:00), Ana Quispe, Jorge Calderón respectivamente. Este análisis es importante por cuanto esta variable meteorológica influye. 18:00) y nocturno – 06:00),y dispersión procesos transporte y dispersión determinando de directamente en– los procesos de(19:00 transporte dedelos contaminantes. tanto la. respectivamente. Este análisis es importante por cuanto esta variable me-o localización como los niveles altos teorológica influye directamente en los. bajos. los contaminantes determinando tanto la localización como losde niveles altos o de concentración estos. bajos de concentración de estos.. Figura 4. Rosas de viento (m/s) en las estaciones de El Callao y La Molina. Silva y Montoya (2008).. Figura 4. Rosas de viento (m/s) en las estaciones de El Callao y La Molina. Silva y Montoya (2008).. (3,8 m/s) y La Molina (4,3 m/s). No Asimismo, podemos ver que durante se registró ocurrencia(7:00 significativa de el período matutino (7:00 a 11:00 hoAsimismo, podemos ver que durante el período matutino a 11:00 horas), calmas. Durante el período nocturno ras), predominaron vientos de intena 6:00 se registraron vien- analizadas, sidad media (< 3 m/s) media en ambasdébil (< (19:00 predominaron vientos dedébil intensidad 3 m/s) enhoras) ambas estaciones tos de intensidad débil en el Callao y estaciones analizadas, con intensidades con registros. No se registró comprendidas entre 2,3 a 2,7 m/s. Se con intensidades comprendidas entre 2,3 a 2,7 m/s.LaSeMolina registró ocurrencia de calmas en la ocurrencia significativa de calmas. registró ocurrencia de calmas en la EsEstación Callaotación (20,7Callao %).(20,7 %). En la Tabla 2, se puede apreciar el resumen de la velocidad y dirección del Durante el período vespertino (12:00 en el año 2008 durante el día y a 18:00 horas) se registraron vientos Durante el período vespertino (12:00 a 18:00 horas)viento se registraron vientos de intensidades la noche. de intensidades moderadas en el Callao. moderadas Tabla en el2 Callao (3,8 m/s) y La Molina (4,3 m/s). No se registró ocurrencia Información horaria de viento superficial (velocidad y dirección) Distrito. Día. La Molina Jesús María Surco Lima Ancón Barranco Miraflores San Isidro Pueblo Libre San Miguel Ate. 13 Km/h 11 Km/h 55 Km/h 11 Km/h 13 Km/h 11 Km/h 45 Km/h 11 Km/h 11 Km/h 14 Km/h 13 Km/h. Noche. Hora. 8 Km/h 11 Km/h 13 Km/h 10 Km/h 8 Km/h 11 Km/h 2 Km/h 8 Km/h 10 Km/h 6 Km/h 8 Km/h. 20:27 20:27 20:28 20:29 20:29 20:30 20:31 20:33 20:34 20:39 20:40. Nota: Huler, 2004.. 64. | Campus | V. XX | No. 20 | julio-diciembre | 2015 |. 12.

(9) Evaluación, aplicación, difusión y abastecimiento de un sistema de generación eólica. 4.3 Efectos de la temperatura sobre la velocidad del viento El viento es el aire en movimiento. Es un factor importante del ciclo hidrológico porque influye en el transporte del calor y de la humedad en el proceso de evaporación.. La velocidad se expresa en m/sg, Km/h o en nudos (1 nudo = 0.514 m/sg = 1.85 Km/h). La escala de Beaufort que consta de 13 grados nos muestra el orden de magnitud de la velocidad de los vientos (San Martín, Zamora, Apenibay y Egvia, 2010).. Tabla 3 Escala de Beaufort Calma O - 1 Km/h.. Viento muy fuerte 45 – 54.. Ventolina 2 – 6.. Temporal 55,- 65. Viento suave 7 – 12.. Temporal fuerte 66 - 77. Viento leve 13 – 18.. Temporal muy fuerte 78 – 90. Viento moderado 19 – 26.. Tempestad 91 - 104. Viento regular 27 – 35.. Huracán > 104. Viento fuerte 36 – 44.. Nota: Extraído de San Martín et al. (2010).. Existe un fenómeno denominado “Inversión de temperatura” que ocurre cuando la temperatura aumenta o baja dependiendo de ciertas condiciones. Por ejemplo, en las primeras horas del día, la Tierra se encuentra a baja temperatura debido a que en la noche ha perdido gran cantidad de calor; en ausencia de vientos y con el cielo despejado, las capas inferiores de la troposfera son más frías que las inmediatas superiores como consecuencia la temperatura sube con la altura. Esta inversión de temperatura tiende a ser destruida por la mezcla que producen los vientos fuertes próximos al suelo y desde luego, el calentamiento que sigue a la salida del sol termina por restablecer el gradiente normal de temperatura. Asimismo, durante el día o la noche, la temperatura va cambiando debido al efecto de la brisa de mar. 5. Uso de la energía del generador eólico 5.1 Cantidad de energía almacenada de un generador Entre los muchos usos del procesamiento digital de imágenes, espe| Campus | V. XX | No. 20 | julio-diciembre | 2015 |. cíficamente, en esta investigación nos centramos en el apoyo durante el control calidad y selección de los alimentos para aquellas personas que sufren algún tipo de deficiencia de visualización de colores, conocidos como daltónicos, quienes ven los colores de distinta manera a como lo ven la mayoría de personas. La energía almacenada de un generador eólico se realiza en un banco de baterías, existen otros tipos de almacenamiento que se han desarrollado en los últimos años, como por ejemplo en la ciudad de Zhangbei en China, se tiene una alta capacidad de almacenamiento que llega hasta los 36 MWh. En la Facultad de Ingeniería y Arquitectura se puede aprovechar el banco de baterías para el almacenamiento de energía proveniente del generador eólico. Las tecnologías de almacenamiento utilizadas presentan criterios técnicos y económicos, que varían en función. 65.

(10) Ana Quispe, Jorge Calderón. de las necesidades y aplicaciones específicas (Ibrahim, Ilinca y Person, 2008).. puede conducir a consecuencias ambientales negativas (Por ejemplo, las emisiones de CO2 y el calentamiento global), debido a sus grandes emisiones de carbono (Ibrahim et al., 2008).. Las tecnologías de almacenamiento se pueden dividir en función de las aplicaciones (Enríquez, 2009): • Aplicaciones de baja potencia en áreas aisladas. • Aplicaciones de media potencia en áreas aisladas.. de de energía, •almacenadores Aplicaciones de conexión red con la nivelación de pico aplicables limitado. para un sistema a gran escala.. que. En esta investigación, se realizó una revisión del sistema UPS (Uninterruptible Power Supply) con que cuenta la Facultad de Ingeniería y Arquitectura, que es un sistema de alimentación ininterrumpida, que está compuesto de baterías y otros puede almacenadores proporcionar energía elementos de energía, que pueden proporcionar energía eléctrica por un tiempo limitado.. eléctrica. • Aplicaciones de control de calidad de energía aplicables para un sistema a gran escala. Específicamente, en el caso de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura se propone el manejo de las aplicaciones de baja potencia, en áreas aisladas. 5.2 Uso de la energía del generador. Figura 5. UPS del centro de cómputo de la FaEsta investigación Figura se desarrolla con eldel centro 5. UPS cómputoy de la Facultad de Ingeniería y Arquit cultadde de Ingeniería Arquitectura. fin de encontrar una solución alternativa para apoyar reducir losen altoslacosEspecíficamente, Facultad de InEspecíficamente, Facultad de Ingenieríaen yla Arquitectura, el UPS es tos de energía eléctrica que se tienen geniería y Arquitectura, el UPS es utiliactualmente en lade Facultad de Ingezado cuando hay servidores, cortes de energíaque eléc- se encuentra hay cortes energía eléctrica para que los niería y Arquitectura, que ascienden trica para que los servidores, que se ena cómputo, más de S/. 5000.00 nuevos soles cuentran en el centro de UPS cómputo, siganalmacenada q sigan funcionando con la energía que el tiene al mes. En una primera instancia, se funcionando con la energía que el UPS pensó en la utilización de un generatiene almacenada que es de 35KVA. dor eólico para proveer de energía a Después de las pruebas que se hicieron, enlasesta investigación, Después de pruebas que se hicie- y debido al los servidores que se encuentran en ron, en esta investigación, y debido al elenergía centro de cómputo la Universi- del centro de los deservidores de cómputo la serviUniversidad, se requerimiento de energíade de los dad, pero en razón de los resultados dores del centro de cómputo de la Unidecomo las pruebas desarrolladas utilización de en la esta energía almacenada en la batería versidad, se decidió proponer del comogenerador eóli investigación, se determinó un mejor utilización de la energía almacenada uso de la energía luces que obtenida. sean importantes paraen lamantenerlas encendidas batería del generador eólico, a un durante un Además de las altas facturas de elecgrupo de luces que sean importantes eléctrica. tricidad, el enorme consumo de para mantenerlas encendidas durante energía de centros de datos también un corte de energía eléctrica.. La máxima potencia que le podríamos extraer al viento, a través de un ge 66. calcula con la siguiente| Campus fórmula | V. de XX Betz. | No. 20 | julio-diciembre | 2015 |.

(11) eléctrica. como utilización la energía en lapara bateríamantenerlas del generador eólico, a un grupo de luces de que sean almacenada importantes encendidas durante luces que sean importantes para mantenerlas encendidas durante Evaluación, aplicación, difusión y abastecimiento de un sistema de generación eólica un corte de energía. eléctrica. La máxima potencia que le podríamos extraer al viento, a través de un eléctrica.. con lapotencia siguiente fórmula de Betz.extraer al viento, a través de u La máximacalcula potencia que le podríamos 5.3le Sistema de transmisión La máxima que podríamos La máxima potencia que le podríamos extraer al viento, a través de un generador eólico, se extraer al viento, a través de un geneLa energía mecánica que se obtiene en rador eólico, se calcula con la siguiente el rotor del calcula con la siguiente de Betz.fórmula calcula la siguiente degenerador Betz. ha de ser trans3 fórmula 2con fórmula de PBetz (Song = 0.29 D Vy Dhinakaran, Song y Dhinakaran mitida(2000): mediante un “Multiplicador de 2000): engranajes” con el cual conseguimos P = 0.29 D 2 V 3 Song y Dhinakaran (2000): 3 2 obtener del generador aquella velociP = 0.29 D V Song y Dhinakaran Donde: (2000): dad de giro que nos interesa. Donde: Donde: P = potencia expresada en vatios (W) Normalmente, cuando hablamos de Donde: P = potencia expresada en vatios (W) aerogeneradores es necesario, primero D = diametro del rotor en metros (m) D = diametro del rotor en metros (m) aumentar la velocidad de rotación de P= = potencia expresada en vatios (W) V velocidad del viento (m/s) V = velocidad del viento por segundo (m/s) por segundo giro, debido a que normalmente los roD = diametro del rotor en metros (m) tores tienen una velocidad de rotación Un eólicoeólico pocas veces tendrá Ungenerador generador pocas veces tendrá rendimiento al 50%, para superio no muyun baja. Un generador eólico pocas veces tendrásuperior un rendimiento V =superior velocidad del viento por segundo (m/s) un rendimiento al 50%, para no sobreestimarlalapotencia potenciamáxima máxima dividiremos sobreestimar la fórmula 50%. acoEl sistema poseeBetz un ejealprimario sobreestimar la potencia máxima dividiremos larotación fórmula Betz alsuperi 50%. dividiremosUn la fórmula Betz al 50%. generador eólico pocas veces tendrá rendimiento plado directamente al eje deun. P= 0.15de D En el caso En el2 V 3tener caso de untener generador un generador eólicodelcon eólico un diámetro con un diámetro de rotor de de rotor 5 metros de 5 captador, que mediante un multi-. P = 0.15 D 2 V 3. plicador transmite la potencialaal fórmula eje del sobreestimar la potencia máxima dividiremos Betz al 50%. En el caso de tener un generador eólico con un diámetro de rotor de 5 metros sopla a 10 sopla m/s a (= 10 25 m/s km/h), (= 25 la km/h), potencia la potencia del molino del será molino de 3.75 será KW. de 3.75 KW. En el caso de tener un generador eólico con un diámetro de rotor de 5m generador (eje secundario). En el caso tener un eóliEn el caso de detener ungenerador generador eólico con un diámetro de rotor de 5 metros 2 3 de 5 meco con un diámetro P = 0.15 de V D rotor Ladel velocidad del viento produce la po- KW. 16 sopla a 10 m/s (= 25 km/h), la25potencia potencia molino será deserá 3.75 tros y si el viento sopla a 1025 m/s km/h), (= sopla a 10 m/s (= la potencia del molino deKW. 3.75 KW. sopla a 10 m/s (= 25 km/h), la del molino será de 3.75. 3 potencia del3 molino será deP = 3.75 KWtencia de la rotación del rotor, a causa P = 0.15 *km/h), 25P* = 0.15 * 25 * 10 P = 3.75 KW 10la de sus bajas revoluciones de funciona3.75 KW. miento demanda que necesitemos un 3 P = 0.15 *P25 *0.15 P = 3.75 KW 103 * 25 * 1033 = P = 3.75 KW multiplicador de larotor Pinvestigación =*0.15 * 25 investigación * 10 P = esta 0.15 * 25 En En con unKW con de rotor de de 6velocidad. metros, deEl6mulsi metros, el viento si elsopla vienta P = 3.75 Pdiámetro = 3.75un KW diámetro 10esta tiplicador está calculado, especialmente, 16.02 km/h), lakm/h), potencia lacon potencia del molino delserá molino de 0.5 seráasíncrono KW. de60.5 KW. En16.02 esta investigación con un diámetro para elrotor motor que utilizamos. En esta investigación un diámetro de de metros, si el el viento viento sopla a En esta investigación con un diámetro de rotor de 6 metros, si el viento En estadeinvestigación unsopla diámetro de rotor de 6 metros, si sopla rotor de 6 metros, si con el viento 16.02 km/h), la potencia del molino será deserá 0.5 de KW. El multiplicador estará ubicado por a36 4.45 m/s (= 16.02 km/h), ladel potencia 16.02 la3 potencia del molino 0.5 KW. 3km/h), 16.02 la potencia molino será de 0.5 KW. P = 0.15 *km/h), P* =4.45 0.15 * 36 * 4.45 P = 0.46 KWP = 0.46 KWencima de la torre y protegido de las del molino será de 0.5 KW. inclemencias del tiempo a fin de que 3 P = 0.15 * 36= *0.15 4.45*336 * 4.4533 P = 0.46 KW P su desgaste sea lo mínimo posible. El P = 0.15duplicar *P36Para =*0.15 36o* 4.45 4.45* duplicar P= = 0.46 0.46la KWvelocidad Para triplicar triplicar la KW velocidad del generador, del generador, analizado analizado en esta en invee Po= 0.46 P KW generador también será protegido. Para duplicar o triplicar la velocidad del Para duplicar o un triplicar la mecánico, velocidad del garantice generador, analizado enmínima esta inve generador, analizado en investigautilizará utilizará un sistema sistema mecánico, que garantice que una una velocidad mínima de 10 m/s de Para duplicar oestatriplicar la velocidad del velocidad generador, analizado eninve es Para duplicar o triplicar la velocidad del generador, analizado en esta est Conclusiones ción, se utilizará un sistema mecánico, que garantice una velocidad de de El usoKW. de energía eólica apoyará tanto mínima en utilizará un sistema mecánico, que5.4 garantice una velocidad de 10 10 m/s m/s sopla autilizará 10 sopla m/s adecir, la 10potencia m/s lamínima potencia será será delagarantice 5.4 KW. utilizará un sistema un mecánico, mecánico, que velocidad una develocidad mínimamínima de de 10 m/s. Es sisistema sopla a 10 m/s la quelagarantice reducción de una los altos costos energía potencia será de KW. eléctrica en la Facultad de Ingeniería y Arsopla aasopla 10 m/s m/s la5.4 potencia será de deserá 5.4 KW. a 10la m/s la potencia de 5.4 sopla 10 potencia será 5.4 KW. quitectura, comoKW. también será de apoyo du3 3 0.15 * 36 * P = 0.15 * 36P* = P = 5.4 KW P = 5.4 KW 10 10 rante un corte de energía, de manera que se tenga disponible una fuente energética que el3 resultado3 obtenido, con los P = 0.15 *Según 36 * P = 5.4 KW 103 * 36 * 103 permita cubrirKW las necesidades críticas en ese Pel =*KW 0.15 P= =con 5.4 KW KW P = 0.15 *5.4 P 36Según = 0.15 * 36el * 10 resultado Según resultado obtenido, obtenido, los con 5.4 los 5.4 queKW generaría que generaría el equipo el eólic equi generaría elP equipo eóli= 5.4 KW P 5.4 10 que momento. co, se podría garantizar el alumbrado Según resultado obtenido, los 5.4 KW que generaría elFacultad equipo eóli deel cuatro o el laboratorios de cuatro laconde garantizar garantizar el aulas alumbrado alumbrado de aulas cuatro oKW aulas laboratorios o generaría laboratorios lael de el la equip Facu de el resultado obtenido, con los 5.4que quede generaría En una segunda parte deKW esta investigación, Según Según el resultado obtenido, con los 5.4 equipo eólic Facultad de Ingeniería y Arquitectura, se pretende evaluar otras fuentes de energía ya que aproximadamente se necesita garantizar el alumbrado de cuatro aulas o eslaboratorios laboratorios decada lapor Facultad de la solarpor y compaArquitectura, Arquitectura, ya que aproximadamente ya que aproximadamente se como necesita seenergía 1KW 1KW uno cada ellos. uno garantizar el alumbrado derenovables cuatro aulas onecesita laboratorios de ladeFacult garantizar el cada alumbrado aulas o de la Facultad de 1KW por uno de ellos. de cuatro rarla con la energía eólica, a fin de determi-. Arquitectura, ya que queya aproximadamente se necesita necesita 1KW por por cada uno deuno ellos. Arquitectura, que aproximadamente se necesita 1KW poruno cada de Arquitectura, ya aproximadamente se 1KW cada de ellos. 5.3 Sistema 5.3 Sistema de transmisión de transmisión | Campus | V. XX | No. 20 | julio-diciembre | 2015 |. 67. 5.3 La Sistema demecánica transmisión La energía mecánica energía quedesetransmisión obtiene que se en obtiene el rotor en del el rotor generador del generador ha de serhatransmit de ser 5.3 Sistema 5.3 Sistema de transmisión.

(12) Ana Quispe, Jorge Calderón. nar cuál de estos generadores es el más conveniente para ser usado y que nos garantice. un menor mantenimiento y por consiguiente, un menor costo.. Referencias Al-Shemmeri, T. (2010). Wind Turbines. Denmark: Ventus Publishing. Enríquez, G. (2009). Tecnologías de generación de energía eléctrica. México: Limusa. Huler, S. (2004). Defining the Wind. NY: Crown Publishing Group. Ibrahim, H., Ilinca, A. y Perron, J. (2008). Energy Storage Systems. Characteristics and Comparisons. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12, 12211250. Nemes, C. y Munteanu, F. (2010). A probabilistic approach of the wind energy system performance. Proceedings of the 12th WSEAS International conference on Mathematical methods and computational techniques in electrical engineering, Rumania. Nemes, C. y Munteanu, F. (2011). GreenWare: greening cloud-scale data centers to maximize the use of renewable energy. Proceding of the 12th International Middleware Conference, Lisboa, Portugal. Qian, X. y He, Y. (2011). Wind Power Turbine and Its Aerodynamic Characteristics. Proceedings of the Third International Workshop on Education Technology and Computer Science. Sanz-Casado, E, Garcia-Zorita, J., Eleazar, A., Larsen, B. e Ingwersen, P. (2007).. 68. Variable selection for wind power prediction using particle swarm optimization. Proceedings of the 9th annual Conference on Genetic and evolutionary computation, London. Sanz-Casado, E, Garcia-Zorita, J., Eleazar, A., Larsen, B. e Ingwersen, P. (2013). Renewable energy research 19952009 – a case study of wind power research in EU, Spain, Germany and Denmark. Journal Scientometrics, 95, 197-224. San Martín, J., Zamora, I., Aperribay, V. y Eguía, P. (2010). Hybrid fuel cells technologies for electrical microgrids. Electric Power Systems Research, 80, 993-1005. Silva, J. y Montoya, Z. (2008). Evaluación de la contaminación atmosférica en la zona metropolitana de Lima-Callao. Boletín Hidrometereológico del Perú, 15-19. Song, Y., Dhinakaran, B. (2000). Variable speed control of wind turbines using nonlinear and adaptative algorithms. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 85, 293-308. Villarrubia, M. (2012). Ingeniería de la Energía Eólica (1° ed.). España: Marcombo. World Wind Energy Association (2013). Half-year Report (Informe). Germany: Autor.. | Campus | V. XX | No. 20 | julio-diciembre | 2015 |.

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