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Dimensionamiento de un sistema híbrido eólico fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica del centro poblado Siete Techos ubicado en el distrito de Reque Chiclayo Lambayeque

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Academic year: 2020

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUIZ GALLO” Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. TESIS Para Optar el Título Profesional de. INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA “DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO EÓLICOFOTOVOLTAICO FOTOVOLTAICOPARA PARAEL ELECTRIFICAR SUMINISTRO AL DE ENERGÍA CENTRO ELÉCTRICA POBLADO DEL SIETE CENTRO TECHOS POBLADO EN REQUE SIETE TECHOS UBICADO CHICLAYO EN - LAMBAYEQUE” EL DISTRITO DE REQUECHICLAYO - LAMBAYEQUE” Autor:. Bach. JORGE LUIS GAMARRA GARBOZA. Asesor:. Ing. SEGUNDO ABELARDO HORNA TORRES. LAMBAYEQUE – PERÚ Mayo del 2019.

(2) UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUIZ GALLO” Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. TESIS DE INGENIERÍA Para Optar el Título Profesional de. INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA “DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA HÍBRIDO ELECTRICISTA EÓLICO FOTOVOLTAICO PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA DEL CENTRO POBLADO SIETE TECHOS UBICADO EN EL DISTRITO DE REQUECHICLAYO - LAMBAYEQUE” Autor:. Bach. JORGE LUIS GAMARRA GARBOZA Aprobado por el Jurado Examinador. PRESIDENTE: Msc. Amado Aguinaga Paz. .……..……………. SECRETARIO: Ing. Carlos Yupanqui Rodríguez. ..…………………. MIEMBRO:. Ing. Daniel Puyen Mateo. .………………….. ASESOR:. Ing. Segundo Abelardo Horna Torres …………………... LAMBAYEQUE – PERÚ Mayo del 2019.

(3) UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUIZ GALLO” Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. TESIS DE INGENIERÍA TITULO “DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO FOTOVOLTAICO PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA DEL CENTRO POBLADO SIETE TECHOS UBICADO EN EL DISTRITO DE REQUE-CHICLAYO – LAMBAYEQUE”. CONTENIDOS CAPITULO I: PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN. CAPITULO II: MARCO TEÓRICO. CAPITULO III: MARCO METODOLÓGICO. CAPITULO IV: PROPUESTA DE LA INVESTIGACIÓN CAPITULO V: ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS. CAPITULO VI: CONCLUSIONES. Autor:. Bach. JORGE LUIS GAMARRA GARBOZA. PRESIDENTE. SECRETARIO. MIEMBRO. ASESOR. LAMBAYEQUE – PERÚ Mayo del 2019.

(4) DEDICATORIA. A. Dios. en. primer. lugar. porque. creo. en. él. fehacientemente y por permitirme llegar hasta esta instancia tan importante en mi formación profesional. A mi madre Leonor Garboza Cárdenas por ser uno de los pilares más grandes y fuertes de mi vida como también por todo su cariño y apoyo de siempre. A mi padre José Gamarra Otoya por su sacrificio y ese esfuerzo desmedido, por siempre creer en mí, por apoyarme y aconsejarme siempre, por ser mi modelo a seguir ya que de él heredé el amor a la electricidad. A mi hermano Carlos Gamarra Garboza por estar conmigo siempre, por quien quiero ser una mejor persona cada día, poder convertirme en un ejemplo a seguir y que siempre se sienta orgulloso de tenerme como hermano mayor. A mi novia Thalía Pintado Ventura por ser alguien que me motiva a ser mejor cada día, a no caer en el conformismo, a estudiar y siempre tratar de ser el mejor.. Bach. Jorge Luis Gamarra Garboza. I.

(5) AGRADECIMIENTO. Gracias a Dios por su infinito amor, y por darme salud para cumplir poco a poco las metas que a mi corta edad me he trazado. Así como también a mis padres por haberme proporcionado la mejor educación y las mejores lecciones de vida, así como el mejor ejemplo a seguir, así como también agradecerles por el apoyo económico, ya que sin ellos no hubiera podido cumplir una de mis metas más importantes que es acabar mi carrera universitaria. Agradecerle a mi hermano por su apoyo de una u otra manera, como también por motivarme a ser una mejor persona cada día y un mejor ejemplo pare él. A mi asesor de tesis el Ing. Segundo Abelardo Horna Torres por haberme brindado la oportunidad de recurrir a su conocimiento científico y su experiencia, y haberme apoya en todo el desarrollo de mi tesis con todo el ímpetu posible. Para terminar, agradecer a todas las personas que hicieron posible el desarrollo de esta tesis.. Bach. Jorge Luis Gamarra Garboza II.

(6) RESUMEN. El objetivo de la presente tesis fue utilizar la energía eólica y la energía solar fotovoltaica para generar energía eléctrica en el Centro Poblado Siete Techos ubicado en el distrito de Reque provincia de Chiclayo en la región Lambayeque con la finalidad de solucionar el problema de falta de suministro eléctrico. Luego de realizar los cálculos se obtuvo que: La energía promedia diaria promedio proyectada para el centro poblado Siete Techos es de 35308 KWh/día. Para 50 viviendas, 01 local comunal y una institución educativa inicial. La máxima demanda es de 10440 KW. Se ha obtenido datos de viento de la estación meteorológica automática de Lambayeque para el mes de junio y noviembre con lo cual se obtuvo los parámetros de la distribución de WEIBULL. Con respecto de la radiación solar Se obtuvo los datos de radiación solar promedio mensual donde según el atlas solar del Perú se ha obtenido un valor de 5 kWh/ m2/día. Se tomó 4.72 kWh/ m2/día para el dimensionamiento del sistema hibrido eólico solar fotovoltaico. Se dimensionó y seleccionó los equipos para el sistema híbrido eólico solar fotovoltaico el cual está compuesto por 01 aerogenerador ENAIR E70 PRO de 5kW, 30 paneles fotovoltaicos de la marca ERA SOLAR de 320 Wp, la potencia del generador fotovoltaico es de 9.6 kWp; 24 baterías ROLLS de 503 Ah, 3 controladores JNGE - 150A 24-240V y 2 inversores marca Must Solar de 6kW, conductores eléctricos para la red secundaria 1x16/25 y 2x16/25. El Costo referencial para el sistema eléctrico con energía eólica solar es de S/. 415891.55 Palabras claves: Aerogenerador, Panel fotovoltaico, inversor, radiación solar.. III.

(7) ABSTRACT. The objective of this thesis was to use wind energy and photovoltaic solar energy to generate electricity in the Siete Techos farm located in the district of Reque province of Chiclayo in the Lambayeque region in order to solve the problem of lack of electricity supply. After performing the calculations, it was obtained that: The average daily average energy projected for the Siete Techos farm is 35308 Wh/day. For 50 houses, 01 communal premises and 01 initial educational institution. The maximum demand is 10440 W. The wind speed data of the Reque weather station was obtained to determine the critical months of speed, then data was obtained from Juny, the Lambayeque automatic meteorological station for the month of Juny and November with which the parameters of the WEIBULL distribution were obtained. With respect to solar radiation The monthly average solar radiation data was obtained, according to the solar atlas of Peru, a value of 5 kWh / m2 / day. 4.72 kWh / m2 / day for the sizing of the photovoltaic solar wind hybrid system. The equipment for the photovoltaic solar wind hybrid system was dimensioned and selected, which is composed of ENAIR E70 PRO 5kW wind turbine, 30 photovoltaic panels of the ERA SOLAR brand of 320 Wp, the power of the photovoltaic generator is 9.6 kWp; 24 ROLLS batteries of 503 Ah, 3 JNGE - 150A 24-240V charge controllers and 02 Must Solar 6kW inverter, electric conductors for the secondary network 1x16 / 25 and 2x16 / 25. The referential cost for the electric system with solar wind energy is S/. 415891.55 Keywords: Wind turbine, photovoltaic panel, inverter, solar radiation.. IV.

(8) ÍNDICE. DEDICATORIA ................................................................................................................................i AGRADECIMIENTO ....................................................................................................................... ii RESUMEN .................................................................................................................................... iii ÍNDICE .......................................................................................................................................... v ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................................................... vii ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................... viii INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... ix PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ..............................................................................10 Realidad Problemática.....................................................................................................10 Formulación del Problema ..............................................................................................10 Delimitación de la Investigación ......................................................................................10 1.3.1. Delimitación espacial ................................................................................................11 1.3.2. Delimitación temporal ..............................................................................................12 Justificación e Importancia de la Tesis .............................................................................12 1.4.1. Justificación Ambiental. ............................................................................................12 1.4.2. Científico ..................................................................................................................12 Limitaciones de la Tesis ...................................................................................................12 Objetivos de la Tesis ........................................................................................................13 1.6.1. Objetivo General ......................................................................................................13 1.6.2. Objetivo Específicos..................................................................................................13 MARCO TEÓRICO ...................................................................................................14 Antecedentes de Estudios ...............................................................................................14 2.1.1. Contexto Internacional .............................................................................................14 2.1.2. Contexto nacional .....................................................................................................16 2.1.3. Contexto local ...........................................................................................................17 Desarrollo de la temática correspondiente al tema desarrollado ...................................18 2.2.1. Energía eólica ...........................................................................................................18 2.2.2. Sistema eólico...........................................................................................................29 2.2.3. Potencia del viento ...................................................................................................33 2.2.4. Límite de Betz ...........................................................................................................35 2.2.5. Ley Exponencial de Hellmann ...................................................................................36 2.2.6. Análisis estadístico ...................................................................................................37 V.

(9) 2.2.7. Aerogenerador .........................................................................................................39 2.2.8. Energía Solar .............................................................................................................49 2.2.9. Sistema Fotovoltaico ................................................................................................58 2.2.10. La carga ..................................................................................................................66 2.2.11. Sistema híbrido Eólico Fotovoltaico .......................................................................66 Definición conceptual de la terminología empleada .......................................................67 MARCO METODOLÓGICO .....................................................................................73 Tipo y diseño de investigación .........................................................................................73 Población y muestra ........................................................................................................73 Hipótesis ..........................................................................................................................73 Operacionalización de variables ......................................................................................74 Métodos y Técnicas de investigación ..............................................................................75 3.5.1. Técnica de investigación: ..........................................................................................75 Descripción de los instrumentos utilizados .....................................................................76 Análisis Estadístico e interpretación de los datos ............................................................76 PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN ..........................................................................78 Propuesta de la investigación ..........................................................................................78 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS ..............................................80 Demanda de energía en Centro Poblado Siete Techos ....................................................80 Análisis de los Recursos Solar y Eólico del Centro Poblado Siete Techos ........................83 5.2.1. Análisis del recurso solar ..........................................................................................83 5.2.2. Análisis de Recurso Eólico ........................................................................................84 Dimensionamiento del Sistema Híbrido ..........................................................................90 5.3.1. Dimensionamiento del Sistema Eólico .....................................................................90 5.3.2. Dimensionamiento del sistema fotovoltaico ............................................................92 5.3.3. Dimensionamiento de sistema de distribución 220 V ............................................105 Presupuesto Referencial del Sistema Híbrido Eólico Solar ............................................116 5.4.1. Costo del Sistema Híbrido Eólico Solar ...................................................................116 5.4.2. Costo del Sistema de Distribución 220V .................................................................117 5.4.3. Costo Total del Sistema Eléctrico Siete Techos .......................................................118 5.4.4. Comparación entre Costo del Sistema de Generación y la extensión de redes primarias ..........................................................................................................................118 CONCLUSIONES ..................................................................................................119 BIBLIOGRAFÍA ...........................................................................................................................120 ANEXOS .............................................................................................................................123 VI.

(10) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Valores de α para algunos tipos de terreno ...................................................................37 Tabla 2 Diferencias entre los paneles según la tecnología del fabricante ..................................60 Tabla 3 Operacionalización de Variables ....................................................................................74 Tabla 4 Tasa de Crecimiento Poblacional Reque ........................................................................81 Tabla 5 Pronóstico de Energía Diaria a 20 años del Centro Poblado Siete Techos .....................82 Tabla 6 Frecuencia de la velocidad del viento ............................................................................85 Tabla 7 Frecuencia Relativa Acumulada .....................................................................................86 Tabla 8 Datos para la Regresión Lineal .......................................................................................87 Tabla 9 Energía entregada por el Aerogenerador a una altura de 18m .....................................91 Tabla 10 Balance de Energía en el Mes Crítico Junio ..................................................................93 Tabla 11 Balance de Energía en el Mes Con Mejor Viento Noviembre ......................................94 Tabla 12 Selección del Panel Solar .............................................................................................94 Tabla 13 Características Eléctricas del Módulo FV .....................................................................94 Tabla 14 Caída de tensión permisible por tramo en la Instalación Fotovoltaica ......................103 Tabla 15 Tabla de Datos técnicos NYY Dúplex ..........................................................................105 Tabla 16 Parámetros y factores de caída de tensión de los cables autoportantes ...................106 Tabla 17 Caída de Tensión C-I ..................................................................................................110 Tabla 18 Caída de Tensión C-II .................................................................................................110 Tabla 19 Características Eléctricas de Cables Autoportantes ...................................................111 Tabla 20 Hipótesis para usar la ecuación TRUXA ......................................................................112 Tabla 21 Características de los cables autoportantes...............................................................113 Tabla 22 Esfuerzos mecánicos en conductores de red secundaria ...........................................115 Tabla 23 Valor Referencial de Materiales del Sistema Híbrido Eólico Fotovoltaico..................116 Tabla 24 Costo Directo del Sistema Híbrido Eólico Fotovoltaico ..............................................117 Tabla 25 Costo Directo del Sistema de Distribución .................................................................117 Tabla 26 Costo Total Sistema Eléctrico Centro Poblado Siete Techos ......................................118. VII.

(11) ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1 Ubicación del distrito de Reque en Lambayeque .........................................................11 Figura 2 Previsión del Mercado Eólico .......................................................................................21 Figura 3 Velocidad media anual del viento a 75 m .....................................................................29 Figura 4 Instalación eólica de pequeña potencia .......................................................................31 Figura 5 Energía Útil del VIento ..................................................................................................33 Figura 6 Límite de Betz ...............................................................................................................36 Figura 7 Aerogenerador Savonius ..............................................................................................42 Figura 8 Aerogenerador Darrieus ...............................................................................................43 Figura 9 Aerogenerador Giromill ................................................................................................44 Figura 10 Aerogenerador Windside ...........................................................................................45 Figura 11 Aerogenerador Tripala ...............................................................................................46 Figura 12 Aerogenerador Bipala .................................................................................................47 Figura 13 Aerogenerador Monopala ..........................................................................................47 Figura 14 Aerogenerador Orientado a Barlovento .....................................................................48 Figura 15 Aerogenerador orientado a Sotavento .......................................................................49 Figura 16 Mapa Global de radiación solar directa ......................................................................52 Figura 17 Mapa Solar del Perú ...................................................................................................57 Figura 18 Esquema de un Sistema Fotovoltaico .........................................................................59 Figura 19 Regulador de Carga ....................................................................................................61 Figura 20 Conexión de un Inversor DC/AC en un Sistema Fotovoltaico Aislado .........................61 Figura 21 Baterías de Uso Fotovoltaico ......................................................................................62 Figura 22 Radiación Solar del Departamento de Lambayeque ...................................................84 Figura 23 Velocidad de Viento vs Frecuencia Relativa Acumulada .............................................86 Figura 24 Reajuste Lineal............................................................................................................87 Figura 25 Distribución de Weibull ..............................................................................................89 Figura 26 Probabilidad de horas de velocidad de viento en el periodo de tiempo de los datos 89 Figura 27 Aerogenerador ENAIR E70 PRO ..................................................................................90 Figura 28 Curva de Potencia del Aerogenerador ENAIR E70 PRO 5kW ......................................91 Figura 29 Controlador Fotovoltaico 24-240V / 150A ..................................................................98 Figura 30 Batería Rolls 12CS11P 503 Ah ...................................................................................101 Figura 31 Inversor Must Solar de 6kW. ....................................................................................102 Figura 32 C-I .............................................................................................................................108 Figura 33 C-II ............................................................................................................................109. VIII.

(12) INTRODUCCIÓN. Esta Tesis estudia en el dimensionamiento de un sistema de generación híbrido eólico fotovoltaico, que ha sido realizado en el Centro poblado Siete Techos, en donde iniciamos hallando la energía promedio que consumirían por día, para poder de esta manera hallar la demanda eléctrica del este centro poblado. Ya cuando tenemos calculado este dato procedemos a realizar un análisis del recurso eólico solar en la zona de desarrollo del proyecto basados a mediciones tomadas por SENAMHI, obteniendo así la velocidad de viento que con mayor frecuencia se da en la zona donde realizaremos el proyecto. Luego de esto pasamos a la selección de los equipos de las marcas más renombradas de aerogeneradores de baja potencia, como también escoger la altura de estos para que puedan trabajar en condiciones relativamente extremas y así la energía eléctrica producida por cada aerogenerador juntos con la energía producida por los paneles solares sean suficientes para poder satisfacer la demanda del centro poblado. Una vez realizado estos cálculos realizar el presupuesto para el sistema híbrido eólico – fotovoltaico.. IX.

(13) PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN. Realidad Problemática El centro poblado Siete Techos se encuentra ubicado en el Distrito de Reque, Provincia de Chiclayo, Departamento de Lambayeque. La población de dicho centro poblado no cuenta con el servicio de energía eléctrica y la red de media tensión de 10 kV se encuentra a más de 2.5 Km, estos pobladores para el tema de iluminación han optado por mecheros, velas. Los lugares un poco alejados y con pocos pobladores como este tienen un poco de dificultad de poder contar con el servicio eléctrico, por lo que el estado promueve en estos casos el uso de energías renovables tales como biomasa, solar, hidráulica, mareomotriz y geotérmica (Artículo 3° de DLEG-1002-2008), ya que gracias a esto se puede mejorar la calidad de vida de la población y proteger el medio ambiente (Artículo 11° de DLEG1002-2008) Formulación del Problema La selección y dimensionamiento de un sistema eólico fotovoltaico optimo suministrara energía de calidad al centro poblado de siete techos distrito de Reque. Delimitación de la Investigación Esta tesis fue desarrollada en el Centro Poblado Siete Techos ubicado en el distrito de Reque perteneciente a la provincia de Chiclayo en el departamento de Lambayeque. 10.

(14) 1.3.1. Delimitación espacial. La elaboración de esta tesis se realizó en el Centro Poblado Siete Techos, ubicado en el distrito de Reque ubicado en la provincia de Chiclayo. perteneciente. al. departamento. de. Lambayeque,. Coordenadas: -6.838563, -79.778990. Figura 1 Ubicación del distrito de Reque en Lambayeque 1 El Distrito de Reque2 es uno de los veinte distritos de la Provincia de Chiclayo, ubicada. en. el Departamento. de. Lambayeque,. bajo. la. administración. del Gobierno Regional de Lambayeque, en el norte de Perú. Geografía del distrito de Reque3 Abarca una superficie de 47,03 km². 1. Google Earth https://es.wikipedia.org/wiki/Distrito_de_Reque 3 https://es.wikipedia.org/wiki/Distrito_de_Reque 2. 11.

(15) 1.3.2. Delimitación temporal. El tiempo que duró la investigación fue de 12 meses. Justificación e Importancia de la Tesis La importancia de esta tesis sobre el dimensionamiento de un sistema de generación hibrido eólico – fotovoltaico radica principalmente abastecer con la suficiente energía eléctrica a los habitantes del centro poblado siete techos. 1.4.1. Justificación Ambiental.. Con la puesta en marcha de esta investigación se reduciría el impacto ambiental negativo ya que se reduciría es uso de energías convencionales. 1.4.2. Científico. La necesidad de obtener nuevas fuentes de energía, ha conllevado que los profesionales realicen investigaciones en generación de esta a base de energías no convencionales. Limitaciones de la Tesis. Las limitaciones fueron en cuanto a la obtención de datos, por ejemplo, en cuanto a los datos de radiación solar han sido obtenidos del atlas solar de SENAMHI del año 2003 y del software SOLARIUS, en cuanto a los datos de velocidad de viento fueron obtenidos de manos de SENAMHI, específicamente de la EMA LAMBAYEQUE. Otra de las limitaciones fue el poco conocimiento que tienen los pobladores del centro poblado sobre estas nuevas formas de generación 12.

(16) de energía eléctrica para poder cubrir sus necesidades, por lo que obtener la información necesaria para los cálculos fue un poco complicado. Objetivos de la Tesis 1.6.1. Objetivo General. Seleccionar y dimensionar un sistema híbrido eólico fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica de calidad al centro poblado Siete Techos ubicado en el distrito de Reque perteneciente a la provincia de Chiclayo en el departamento de Lambayeque. 1.6.2. Objetivo Específicos. 1) Calcular la energía eléctrica promedio diaria, así como la máxima demanda necesaria para el centro poblado Siete Techos. 2) Analizar y establecer el recurso eólico y solar para el mejor aprovechamiento en la producción de energía eléctrica. 3) Dimensionar y seleccionar el equipamiento del sistema híbrido eólico fotovoltaico. 4) Determinar el costo del sistema eléctrico con energía solar y eólica.. 13.

(17) MARCO TEÓRICO Antecedentes de Estudios 2.1.1. Contexto Internacional. Según Magdiel Guevara Medina en su tesis titulada “Sistema Híbrido de Generación de Energía Eléctrica Eólico – Fotovoltaico Aislado Para el Suministro Eléctrico Demandado Por un Edificio Habitacional”, la generación de energía eléctrica por medio de energías renovables como la energía solar y la energía eólica, es el 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 contará 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.4 Según Luis David Guerra Baeza en su tesis titulada “Estudio de factibilidad técnico/económica de un sistema híbrido de generación de. 4. Guevara Medina, Magdiel. “Sistema Híbrido de Generación de Energía Eléctrica Eólico – Fotovoltaico Aislado Para el Suministro Eléctrico Demandado Por un Edificio Habitacional”. México D.F. 2013. 14.

(18) energía eléctrica para escuelas de Quinchao”, nos expresa que, en localidades de difícil acceso, aisladas de la red eléctrica, es común el uso de generadores en base a motores Diésel para el abastecimiento de electricidad. Si bien esta solución es fácil de implementar, posee características que llevan a considerar otro tipo de soluciones. Las principales falencias de un generador Diésel para el abastecimiento de electricidad son: el alto costo de generación, asociado al costo directo de combustible y costos de mantenimiento del equipo, la disponibilidad de la electricidad y la emisión de contaminantes; en esta tesis se busca solucionar los problemas de generación eléctrica de trece escuelas de la comuna de Quinchao, perteneciente al archipiélago de Chiloé. Actualmente la generación eléctrica en estas escuelas se realiza mediante generadores Diésel, por lo que el concepto de disponibilidad se torna crítico, considerando que una falla en el equipo significa la suspensión de las jornadas escolares. Es por esto que se busca estudiar sistemas de generación eléctrica complementarios al sistema convencional, que funcionen con fuentes de energías renovables no convencionales (ERNC) solar, fotovoltaica y eólica5.. 5. Guerra Baeza, Luis David. “Estudio de factibilidad técnico/económica de un sistema generación de energía eléctrica para escuelas de Quinchao”. Santiago De Chile, 2013. híbrido de. 15.

(19) 2.1.2. Contexto nacional. Según Juan Chercca Ramírez en su tesis titulada “Aprovechamiento del Recurso Eólico y Solar en la Generación de Energía Eléctrica y la Reducción de Emisiones de CO2 en el Poblado Rural la Gramita de Casma” La investigación y desarrollo en tecnología de Aerogeneración de baja potencia (2 kW), y la implementación de Sistemas Fotovoltaicos es limitada en el país y en el mercado internacional, no obstante que se presenta como una solución energética estratégica para zonas rurales que disponen del recurso eólico y solar en lugares en donde no se tiene el acceso al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN) y en donde no existe redes de Transmisión y Distribución Eléctrica de dicho sistema, entonces en dicha zona la única alternativa es la generación aislada, por ello la energía renovable es una buena opción y se plantea el uso de aerogeneradores de pequeña potencia para satisfacer la demanda de energía eléctrica doméstica y comunitarias en zonas rurales. La presente Tesis de Maestría es una investigación aplicada cuya metodología parte de la evaluación de tecnologías independientes como son el uso de aerogeneradores y los paneles fotovoltaicos y la combinación adecuada de éstas dos tecnologías, para lo cual se ejecutaron labores de gabinete y de campo, que dan como resultado el diseño de un Aerogenerador de 2 kW con imanes permanentes de neodimio, el uso de 28 paneles Fotovoltaicos de 240Wp, acumuladores o baterías, Reguladores de carga e Inversor que conforman un Sistemas Híbrido Eólico-fotovoltaicos para suministrar energía eléctrica 16.

(20) para los pobladores de la Caleta “La Gramita” de la Provincia de Casma, cuya demanda energética es de 49,25 kWh/día, lo que permitirá mejorar la calidad de vida y mitigar los impactos ambientales por las emisiones contaminantes por el uso de carbón, velas, mecheros y grupos electrógenos. Esta alternativa propuesta tiende a ser la mejor alternativa que utiliza fuentes renovables de gran potencial en el lugar dado que ésta se encuentra en la playa “La Gramita” a la orilla del mar con viento y sol favorable durante todo el año, lo que se puede corroborar en el mapa eólico y solar donde contamos con una velocidad de viento de 5,3 m/s (a 10 m de altura) y una irradiancia de 5.75 KWh/m2.6 2.1.3. Contexto local. Según Anthony Joel Llauce Chozo en su tesis titulado “Implementación de sistema fotovoltaico para reducir el consumo de combustibles fósiles en la generación eléctrica en el restaurant el Cruceñito, ubicado en el Km 90, carretera a Lambayeque-Piura” Nos dice que el restaurant está en un lugar donde no hay el servicio eléctrico en redes de baja tensión, se optó por la implementación de un sistema fotovoltaico comercial, remplazando la generación eléctrica de un motor diésel. El objetivo del presente trabajo de investigación es evaluar técnica y económicamente la implementación de un sistema fotovoltaico (SFV) autónomo en la generación de energía eléctrica, y así proponer que estos sistemas sean implementados a comunidades de nuestra región que aún no. 6. Chercca Ramírez, Juan. “Aprovechamiento del recurso eólico y solar en la generación de energía eléctrica y la reducción de emisiones de CO2 en el centro poblado rural la gramita de Casma”. Lima, 2014. 17.

(21) cuentan con. el. suministro eléctrico, además de contribuir a la. reducción de emisiones de CO2, así mismo capacitar a la población sobre la gran importancia que tiene la energía solar y sus diferentes aplicaciones. Por otra parte, este tipo de tecnología presenta numerosas ventajas: instalación simple, emplea una fuente de energía limpia y gratuita, su operación es automática y silenciosa, requiere poco mantenimiento y es amigable con el ambiente. 7 Desarrollo de la temática correspondiente al tema desarrollado 2.2.1. Energía eólica. 2.2.1.1. Energía eólica en el mundo8 El Global Wind Energy Council (GWEC) ha publicado su informe anual Global Wind Report: Annual Market Update, que muestra una industria madura que compite con éxito en el mercado y que, en 2017, añadió más de 52GW de energía eólica limpia y libre de emisiones, con lo que las instalaciones totales alcanzaron los 539 GW en todo el mundo. Con los nuevos registros establecidos en Europa, India y en el sector offshore, los mercados anuales reanudarán su rápido crecimiento después de 2018, dicen los autores del informe. “La energía eólica lidera la carga en la transición de los combustibles fósiles, y continúa socavando la competencia en. 7. Llauce Chozo, Anthony. “Implementación de sistema fotovoltaico para reducir el consumo de combustibles fósiles en la generación eléctrica en el restaurant el Cruceñito, ubicado en el Km 90, carretera a Lambayeque-Piura”. Lambayeque,2016 8 https://elperiodicodelaenergia.com/el-mercado-mundial-de-energia-eolica-crecera-un-50-en-losproximos-cinco-anos/. 18.

(22) precio, rendimiento y fiabilidad”, dijo Steve Sawyer, secretario general de GWEC. “Tanto en tierra como en alta mar, la energía eólica es clave para definir un futuro energético sostenible”. Las importantes reducciones de precios de la eólica terrestre y marina siguen sorprendiendo. Los mercados en Marruecos, India, México y Canadá oscilan en torno a 0,03 $ / kWh, con una reciente licitación mexicana con precios muy por debajo de 0,02 $ / kWh. Mientras tanto, la eólica marina protagonizó las primeras ofertas ‘sin subsidios’ en licitaciones en Alemania y Países Bajos, con licitaciones por casi 2 GW de nueva capacidad eólica marina que no recibieron más que el precio mayorista de la electricidad. El pronóstico a 5 años de GWEC arroja un mantenimiento del mercado en 2018, con un volumen de instalaciones similar al de 2017, ya que los mercados dominantes de la UE -Alemania y Reino Unido- verán caer la nueva capacidad debido a los cambiantes entornos regulatorios, y el mercado de India caerá temporalmente debido a una ‘brecha política’ entre los viejos y nuevos sistemas; pero el sector volverá a un crecimiento espectacular en 2019, superará el hito de 60 GW en 2020 y avanzará desde allí hasta alcanzar un total de 840 GW en 2022. “Tenemos un nuevo mercado en auge en Argentina, un retorno a la forma en Sudáfrica, México al borde de un crecimiento espectacular y una potencia en la India”, dijo Sawyer. “Vemos. 19.

(23) también un gran potencial en Rusia, Vietnam e incluso Arabia Saudita; y la eólica offshore se está extendiendo como un reguero de pólvora en todo el mundo debido a los pacientes y pioneros esfuerzos de Europa para llevar la tecnología a la competitividad en costes”. El informe prevé que el mercado de EEUU se mantendrá fuerte al menos hasta 2020, y probablemente más allá, y Brasil seguirá dominando los mercados de América Latina, aunque con un nuevo rival en Argentina. Nuevos mercados continúan surgiendo en África y Asia, aunque China continuará siendo el mercado dominante a nivel mundial, pero con un crecimiento menos espectacular que en la última década. Los niveles de penetración de la eólica continúan aumentando rápidamente. Dinamarca obtuvo el 44% de su electricidad de la energía eólica en 2017 y Uruguay obtuvo más del 30%. En 2017, la energía eólica suministró el 11,6% de la energía de la UE, liderada por Dinamarca, Portugal e Irlanda con un 24%, y España y Alemania poco menos del 20%. Cuatro estados de EEUU obtienen más del 30% de su electricidad del viento, al igual que el estado de Australia del Sur y varios estados en Alemania. “Conducidos por la mejora de la economía de la energía eólica, así como la solar y el almacenamiento, las líneas generales de. 20.

(24) un sistema de energía 100% renovable se están volviendo claras”, concluyó Sawyer.. Figura 2 Previsión del Mercado Eólico9. 2.2.1.2. Energía eólica en Latinoamérica10 La generación de energía eólica ha alcanzado la mayoría de edad y en América Latina esta fuente renovable ya se ha convertido en una realidad presente en la matriz eléctrica. Muchos gobiernos de la región ven esta tecnología como una alternativa viable para superar la escasez de energía y reducir las emisiones de carbono. El cambio a la tecnología eólica se ha acelerado en algunos países, principalmente en Brasil, donde la sequía alcanzó. 9. Global Wind Report Annual Market Update 2017. https://www.bnamericas.com/es/intelligence-series/energiaelectrica/la-primavera-de-la-energiaeolica-en-america-latina# 10. 21.

(25) niveles críticos el año pasado forzando la adopción de medidas de racionamiento en Río de Janeiro y Sao Paulo. La generación de energía eólica ha alcanzado la mayoría de edad y en América Latina esta fuente renovable ya se ha convertido en una realidad presente en la matriz eléctrica. Muchos gobiernos de la región ven esta tecnología como una alternativa viable para superar la escasez de energía y reducir las emisiones de carbono. El cambio a la tecnología eólica se ha acelerado en algunos países, principalmente en Brasil, donde la sequía alcanzó niveles críticos el año pasado forzando la adopción de medidas de racionamiento en Río de Janeiro y Sao Paulo. Además, muchos de los sistemas centrales de energía de América Latina requieren inversiones para dar cabida al suministro adicional proveniente de fuentes renovables. Una de las razones por las cuales la capacidad del parque eólico de Uruguay se disparó un 793% en 2014, la mayor alza a nivel mundial, se debió a que varios proyectos terminados estaban a la espera de mejoras en la red eléctrica principal. Chile, Brasil y México también figuraron entre los 10 países que registraron más rápido crecimiento en esta materia en 2014. Sin embargo, en muchos otros países la inversión en generación eólica todavía está en pañales y algunos no son aptos para inversiones a gran escala. Mucho depende de la matriz existente 22.

(26) en un determinado país, de contar con sitios adecuados para este tipo de generación y de las políticas vigentes, señala Patricia Darez, gerente general de la consultora de la industria 350renewables. Por ejemplo, México tiene un potencial enorme, pero podría moverse lentamente en esta materia a medida que se embarca en su primera subasta de energía el año que viene, dice Darez. Perú, por su parte, realiza una licitación que debiese agregar capacidad eólica y Chile se dispone a lanzar en abril una enorme subasta que será un gran momento tanto para la energía eólica y la solar, asegura. 2.2.1.3. Energía eólica en el Perú  201711 Enel, a través de su subsidiaria Enel Green Power Perú (“EGPP”), ha iniciado la construcción de Wayra I, su primer parque eólico en el Perú, ubicado en el distrito de Marcona, en la Región Ica. La planta, donde las primeras turbinas eólicas están siendo actualmente instaladas, tendrá una capacidad instalada de 132 MW y, una vez terminada, será el parque eólico más grande del país. “La construcción del primer parque eólico de Enel en el Perú promueve nuestra presencia en el país y muestra nuestro gran 11. https://www.evwind.com/2017/09/04/eolica-en-peru-enel-construye-el-parque-eolico-mas-grandecon-132-mw/. 23.

(27) compromiso con el mercado peruano de energía renovable”, dijo Antonio Cammisecra, Responsable de Enel Green Power. “Estamos dedicados por completo a desarrollar nuevos proyectos que contribuirán con la diversificación de nuestra presencia en el país. Nuestra meta en Perú es convertirnos en la compañía líder en energía renovable, que consideramos ser clave para el desarrollo sostenible a nivel local y nacional”. El Grupo Enel invertirá aproximadamente 165 millones de dólares en la construcción del nuevo parque eólico, que es una de las inversiones consideradas dentro de su plan estratégico actual. El proyecto, que espera entrar en servicio en el primer semestre de 2018, está respaldado por un contrato de concesión para suministro de electricidad por 20 años, firmado con el Ministerio de Energía y Minas del Perú. La nueva instalación de energía eólica, que consta de 42 aerogeneradores con más de 3 MW cada uno, será capaz de generar alrededor de 600 GWh (Gigawatts-hora) al año, lo que equivale a las necesidades de consumo anuales de más de 480,000 hogares peruanos, mientras evitará la emisión de casi 288,000 toneladas de CO2 en la atmósfera por año. La energía producida por el parque eólico será entregada al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN) a través de la subestación Poroma.. 24.

(28) En línea con el modelo de Creación de Valor Compartido (CSV, por sus siglas en inglés) adoptado por el Grupo Enel, cuyo objetivo es combinar el desarrollo empresarial con las necesidades de la comunidad local, EGPP está llevando a cabo un plan enfocado en fomentar oportunidades de generación de ingresos en las áreas vecinas al proyecto eólico. El plan, que incluye cursos de capacitación empresarial para mujeres y apoyo para que ellas establezcan sus propios negocios, se está implementando. en. coordinación. con. las. autoridades. y. comunidades locales. El Grupo Enel se adjudicó en el 2016 el derecho a firmar los contratos de suministro de energía para Wayra I1 tras la cuarta licitación pública de energía renovable lanzada por el regulador peruano de energía OSINERGMIN. Con un total de 326 MW de capacidad eólica, solar e hidroeléctrica adjudicados en la licitación, se espera que, para el 2018, EGPP se convierta en el principal actor renovable en el Perú y la única empresa que opere plantas de tres tecnologías renovables diferentes en el país. El Grupo Enel está presente en el sector de generación peruano a través de EGPP, que también está construyendo la central solar Rubí de 180 MW y la central hidroeléctrica Ayanunga de 20 MW, así como a través de Enel Generación Perú y Enel Generación Piura, que cuentan con una capacidad instalada combinada de alrededor de 2 GW. El Grupo también opera en el 25.

(29) sector de distribución del país a través de Enel Distribución Perú, que atiende a casi 1,4 millones de clientes en la región de Lima. Enel Green Power, la división de energías renovables del Grupo Enel, se dedica al desarrollo y a la operación de energías renovables en todo el mundo, con presencia en Europa, América, Asia, África y Oceanía. Enel Green Power es líder mundial en el sector de energía verde, con una capacidad gestionada de alrededor de 39 GW proveniente de una combinación de generación que incluye energía eólica, solar, geotérmica, hidroeléctrica y de biomasa, y está a la vanguardia en la integración de tecnologías innovadoras como sistemas de almacenamiento en plantas de energía renovable.  201812 Planta Wayra I del Grupo Enel tendrá una capacidad instalada de 132 megavatios (MW). El Minem dijo que con su puesta en marcha se podrá superar ampliamente la meta de 5% de matriz energética basada en energías renovables. La construcción y puesta en marcha de Wayra I demandó una inversión de US$165 millones. Será operado por operado por la filial peruana de energías renovables Enel Green Power Perú, firma vinculada al Grupo Enel.. 12. https://peru21.pe/economia/inaugura-ica-parque-energia-eolica-grande-peru-415156. 26.

(30) Con la nueva planta, el Perú avanza en la generación de energías renovables. El Ministerio de Energía y Minas (Minem) dijo que impulsa estos proyectos que permitirán distribuir electricidad limpia y verde producida a partir de la fuerza de los vientos del sur. "Wayra I comprende 42 aerogeneradores que producirán aproximadamente 600 gigavatios-hora al año, los cuales serán suministrados por Enel al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN) a favor de la población peruana", sostuvo el titular del Minem, Francisco Ísmodes. Asimismo, el funcionario felicitó la inversión del Grupo Enel y mencionó que con ella se podrá superar ampliamente la meta de 5% de matriz energética basada en energías renovables, ya que con esta primera etapa de Wayra I ya se llega al 4.4%. Por su parte, el Grupo Enel destacó que con Wayra I afianzan su presencia en el sector de energías renovables en el Perú y contribuyen a diversificar la matriz energética del país, fortalecen la confiabilidad del sistema de energía y reducen la emisión de gases de efecto invernadero. "Las plantas renovables no convencionales son de suma importancia para satisfacer la necesidad del país de una generación eficiente y sostenible", sostuvo José Revuelta Mediavilla, country manager de Enel Perú.. 27.

(31) Para la construcción de Wayra I se aplicó el modelo "Sitio de Construcción. Sostenible",. que. comprende. acciones. de. sostenibilidad como la reutilización de materiales para fabricar muebles ecológicos y el tratamiento de aguas residuales. También se consideró el monitoreo de impactos con la comunidad y proyectos sociales.  Potencial eólico en el Perú13 Perú tiene un potencial de generación eólica aprovechable de 22GW, según el Atlas Eólico del Perú. Si bien el potencial de generación eólica asciende a 77GW, la cifra disminuye si se excluyen las áreas situadas a más de 3.000m sobre el nivel del mar, con pendientes de más de 20%, en centros poblados, zonas protegidas o cerca de ríos, cañones o lagos. De las 25 regiones del país, 9 fueron identificadas por tener potencial eólico: Ica (9,14GW), Piura (7,55GW), Cajamarca (3,45GW), Arequipa (1,16GW), Lambayeque (564MW), La Libertad (282MW), Lima (156MW), Ancash (138MW) y Amazonas (6MW).. 13. http://www.sectorelectricidad.com/404/peru-el-potencial-eolico-supera-los-60-000mw/. 28.

(32) Figura 3 Velocidad media anual del viento a 75 m14 2.2.2. Sistema eólico. Se denomina sistema eólico a un conjunto de elementos que desempeñan una determinada función para poder generar una cantidad determinada de energía eléctrica, utilizando como recurso la energía eólica.. 14. Atlas eólico del Perú 2016. 29.

(33) 2.2.2.1. Componentes15  Aerogenerador o parque eólico: Es el que transforma la velocidad del viento en energía eléctrica. Tiene los siguientes componentes principales: aspas de fibra de vidrio, un generador eléctrico de imanes permanentes, un mecanismo de dirección y protección (veleta), un cono.  Regulador eólico: Protege la batería cortando el ingreso de energía cuando ya está cargada y evita el ingreso de exceso de energía y la deriva a la resistencia.  Baterías: Almacena la energía eléctrica producida por el aerogenerador. para. poder. utilizarla. en. cualquier. momento del día y la noche. Siempre debe de estar dentro de una caja de madera.  Inversor: Convierte el voltaje de la batería (12 voltios) a 220 VAC, facilitando su uso en los diferentes equipos.. 15. https://solucionespracticas.org.pe/cuales-son-los-componentes-de-un-sistema-eolico. 30.

(34) Figura 4 Instalación eólica de pequeña potencia16 2.2.2.2. Aplicaciones Principales17 En resumen, las aplicaciones de la energía eólica de forma autónoma están basadas principalmente en las necesidades de pequeñas comunidades o de tareas agrícolas, pudiendo sintetizarse en los siguientes puntos:  Bombeo de agua y riego  Acondicionamiento y refrigeración de almacenes  Refrigeración de productos agrarios  Calentamiento de agua  Alumbrado y usos eléctricos diversos Asimismo, resulta de interés el empleo de aerogeneradores para repetidores de radio y televisión, estaciones meteorológicas e instalaciones similares, situadas lejos de las redes eléctricas. En. 16 17. http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Energia/Energia52/HTML/articulo03.htm https://fjarabo.webs.ull.es/TER/EOLIC/EOLIC06.HTM. 31.

(35) estos casos hay que prever normalmente un sistema de acumulación por baterías para hacer frente a las posibles calmas. 2.2.2.3. Ventajas Principales18  La energía eólica es uno de los tipos de energías más sanos. La energía producida por el viento no afecta el medio ambiente ni agrava el efecto invernadero.  La energía eólica es una fuente inagotable de energía. Junto con la solar, es la alternativa para reemplazar a fuentes no renovables como el petróleo o sus derivados.  Un. grupo. de. científicos. europeos. se. encuentra. desarrollando una técnica que emplea sensores y software para monitorizar la fuerza sobre las aspas de las turbinas de energía eólica, de esta forma, se ajustarían a los rápidos cambios del viento. Sus aspas cambiarían en tiempo real para responder a los vientos cambiantes.  Los aerogeneradores poseen una vida útil de 30 años, pero están sujetos a estudios de funcionamiento periódicos. Pero, actualmente, el diseño de estos generadores ha avanzado para reducir el efecto negativo que. producían. en. las. aves,. que. se. terminan. acostumbrando a su presencia.. 18. http://www.energiverde.com/energia-eolica/4-ventajas-y-4-desventajas-de-la-energia-eolica. 32.

(36) 2.2.3. Potencia del viento19. La función de los aerogeneradores es interceptar la energía del viento que pasa a través de la zona de barrido del rotor para transformarla así en electricidad (Fernández zayas 2010). El viento con una masa “m” que se mueve a una velocidad V genera energía cinética EC que es calculada mediante la fórmula:. 𝐸𝐶 =. 𝑚𝑣 2 2. … (1). Así, la energía cinética del viento es directamente proporcional a la densidad del aire. A Presión atmosférica normal y a 15° C el aire pesa unos 1.225 kg/m3, aunque la humedad, el calor y las bajas presiones resultan en menores densidades.. Figura 5 Energía Útil del VIento20. 19 20. (Fernández zayas, 2010) http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/eolica_2014u1_1.pdf. 33.

(37) Al expresar la energía cinética del viento que pasa por el área transversal A por unidad de tiempo obtenemos la ecuación para calcular la potencia eólica P mostrada en la siguiente expresión:. 𝑃=. 𝜌𝐴𝑉 2 … (2) 2. Donde: P = Potencia (W) ρ= Densidad del aire (Kg/m3) A = Área del barrido del rotor (m2) V = Velocidad del viento (m/s) La ecuación (2) nos indica que es necesario tener en cuenta las características del aire donde se va a ubicar un aerogenerador puesto que a bajas temperaturas el aire es más denso, a humedades altas la densidad baja y a grandes altitudes sobre el nivel del mar la densidad es menor, estos aspectos son importantes a tomar en cuenta para poder aprovechar al máximo el potencial eólico. El área del rotor de un aerogenerador es importante pues determina cuanta energía del viento va a ser capturada, son directamente proporcionales, ya que el área de un aerogenerador depende del cuadrado de su diámetro, entonces al duplicar el diámetro estaríamos obteniendo 4 veces más energía.. 34.

(38) 2.2.4. Límite de Betz21. La fórmula (2), muestra la potencia disponible a partir del viento. Sin embargo, no toda esta potencia puede ser extraída por un aerogenerador. El porcentaje teórico máximo de extracción de potencia de un aerogenerador puede obtener a partir de una masa de aire en movimiento es un 59.3 %. Este valor fue calculado en 1919 por el científico alemán Albert Betz, por lo que se le conoce como límite de Betz, el cual como muestra la figura N°6; varía en distintas familias y tipos de turbina eólicas. Dado que el proceso de conversión de energía eólica a mecánica tiene la eficiencia asociada al coeficiente de potencia (Cp), de la fórmula 3 se desprende que la potencia generable viene dada por la expresión:. 𝑃=. 𝐶𝐷 𝜌𝐴𝑉 3 2. … (3). Cada tipo de aerogenerador presenta distintos rendimientos para regímenes de vientos dados, lo que se muestra en los distintos valores para coeficientes de potencia.. 21. (Fernández zayas, 2010). 35.

(39) Figura 6 Límite de Betz22 2.2.5. Ley Exponencial de Hellmann23. La velocidad del viento varía con la altura, siguiendo aproximadamente una ecuación de tipo estadístico, conocida como ley exponencial de Hellmann.. 𝑉ℎ = 𝑉𝑟𝑒𝑓 (ℎ. ℎ. 𝑟𝑒𝑓. )∝. … (4). Donde: Vh (m/s) = Velocidad del viento a una altura h. Vref (m/s) = Velocidad promedio del viento a una altura. H (m) = Altura a la que se desea conocer la velocidad. Href (m) = Altura a la que se midió Vref. α = Coeficiente de rugosidad.. 22 23. https://www.linkedin.com/pulse/le-turbine-eoliche-il-vento-la-legge-di-betz-e-i-venditori-fina Pedro Fernández, Energía eólica.. 36.

(40) Tabla 1 Valores de α para algunos tipos de terreno TIPO DE TERRENO. COEFICIENTE DE RUGOSIDAD. Lugares llanos con hielo o hierba. 0.08 – 0.12. Lugares llanos (mar, costa). 0.14. Terrenos poco accidentados. 0.13 – 0.16. Zonas rústicas. 0.2. Terrenos accidentados. 0.2 – 0.26. Terrenos muy accidentados y ciudades. 0.25 – 0.4. 2.2.6. Análisis estadístico24. Los métodos estadísticos en el tema de potencia eólico se utilizan en un determinado lugar para estimar la velocidad del viento a base de pocos datos sobre este en un periodo más corto del que pretendemos estimar. 2.2.6.1. Distribución de Weibull Se trata de una distribución de dos parámetros en la que c es el parámetro de escala y k es el parámetro de forma, es considerado el método más usado para estimar la velocidad del viento. 𝑘 𝑣. 𝑣 𝑘. 𝑓(𝑣 ) = 𝑐 (𝑐 )𝑘−1 𝑒 [(𝑐 ) ] … (5). 24. Santa Cruz Santa Cruz, Kleber Jesús. “Diseño de un sistema hibrido eólico fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica del centro poblado nueva esperanza ubicado en el distrito de Catache - Santa Cruz Cajamarca”. Lambayeque, 2018. 37.

(41) a) Distribución acumulativa: muestra la probabilidad para que la velocidad del viento no se supere el valor x y está dado por la siguiente fórmula:. 𝐹 (𝑣 ) =. 𝑣 ∫0 𝑓(𝑣 )𝑑𝑣. 𝑣 𝑘 𝑣 𝑘−1 [(𝑣)𝑘] ∫0 𝑐 (𝑐 ) 𝑒 𝑐 𝑑𝑣 … (6). =. =1−𝑒. 𝑣. −(𝑐)𝑘. … (7). b) Distribución acumulativa complementaria: indica la probabilidad para que la velocidad supere al valor de x, y está dado por la siguiente fórmula: 𝑣. 𝑣. 1 − ∫ (𝑣 )𝑑𝑣 = 1 − ∫ 0. 0. 1−1+𝑒. 𝑣. −(𝑐)𝑘. =𝑒. 𝑘 𝑣 𝑘−1 −(𝑣)𝑘 ( ) 𝑒 𝑐 𝑐 𝑐 𝑣. −(𝑐)𝑘. … (8). c) Determinación de los parámetros de la función densidad de probabilidad de Weibull: para determinar los parámetros debemos transformar la función de distribución acumulada en una función lineal. 𝑣 𝑘. 𝐹 (𝑣 ) = 1 − 𝑒 −(𝑐) 1 𝑣 𝑘. ( ) 𝑒 𝑡. 𝑣 𝑘. entonces. = 1 − 𝐹(𝑣). entonces. 𝑒 −(𝑐) = 1 − 𝐹(𝑣) 1 1−𝐹(𝑣). =𝑒. 𝑣 ( )𝑘 𝑡. Aplicando logaritmo neperiano tenemos: 1. 𝑣 𝑘. 𝑙𝑛 (1−𝐹(𝑣)) = 𝑙𝑛(𝑒 (𝑐) ) … (9) 𝑙𝑛 (. 1 𝑣 ) = ( )𝑘 1 − 𝐹 (𝑣 ) 𝑐 38.

(42) Nuevamente aplicamos logaritmo neperiano:. 𝑙𝑛(𝑙𝑛 (. 1 𝑣 )) = 𝑙𝑛(( )𝑘 ) 1 − 𝐹 (𝑣 ) 𝑐. 𝑙𝑛(𝑙𝑛 (. 1 𝑣 )) = 𝑘. 𝑙𝑛( ) 1 − 𝐹 (𝑣 ) 𝑐. 1. 𝑙𝑛(𝑙𝑛 (1−𝐹(𝑣))) = 𝑘. ln(𝑣 ) − 𝑘. ln(𝑐) … (10) La ecuación anterior responde a la ecuación de una recta de la forma:. 𝑦 = 𝑘𝑥 + 𝑏 … (11) 1. 𝑦 = 𝑙𝑛(𝑙𝑛 (1−𝐹(𝑣))) … (12) 𝑥 = 𝑙𝑛(𝑣 ) … (13) 𝑏 = −𝑘. 𝑙𝑛(𝑐) … (14) Identificados K y C, reemplazamos en la ecuación de Weibull. 𝑘 𝑣. 𝑣. 𝑓(𝑣 ) = 𝑐 (𝑐 )𝑘−1 . 𝑒[−(𝑐 )𝑘 ]… (15) 2.2.7. Aerogenerador. Un aerogenerador es un generador eléctrico cuyo funcionamiento se basa en la conversión de la energía cinética del bien en energía mecánica a través de una hélice para luego convertirse en energía eléctrica gracias a un alternador.. 39.

(43) 2.2.7.1. Clasificación de Aerogeneradores25 a) Según la Potencia Suministrada:  De baja potencia: Históricamente son los asociados a utilización. mecánica. como. bombeo. del. agua,. proporcionan potencias alrededor del rango de 50 KW, aunque pueden utilizarse varios equipos adyacentes para aumentar la potencia total suministrada. Hoy en día siguen utilizándose como fuente de energía para sistemas mecánicos o como suministro de energía en equipos aislados. También se utilizan en grupo y junto con sistemas de respaldo como motores de gasolina para suministro de energía de zonas rurales o edificios, ya sea conectándose a red o con bacterias para almacenar la energía producida y garantizar la continuidad de la cobertura energética.  De mediana potencia: Son los que se encuentran en el rango de producción de energía de 150 KW. Son utilizados de forma similar a los equipos de baja potencia, pero para mayores requerimientos energéticos. No suelen estar conectados a baterías de almacenamiento, por lo que se utilizan conectados a red o junto con sistemas de respaldo.. 25. http://opex-energy.com/eolica/tipos_aerogeneradores.html#2._SEGUN_POTENCIA_SUMINISTRADA.. 40.

(44)  De alta potencia: Son los utilizados para producción de energía de forma comercial, aparecen conectados a red y en grupos conformando centrales Eolo eléctricas, ya sea en tierra como en entorno marino (offshore). Su producción llega hasta el orden del gigavatio. El diseño elegido mayoritariamente para estos equipos son los aerogeneradores de eje horizontal tripalas, orientados a barlovento y con torre tubular. b) Según el eje de giro del rotor  Eje Vertical: Sus principales ventajas son que no necesita un sistema de orientación al ser omnidireccional y que el generador, multiplicador, etc., son instalados a ras de suelo, lo que facilita su mantenimiento y disminuyen sus costes de montaje. Sus desventajas frente a otro tipo de aerogeneradores son sus menores eficiencias, la necesidad de sistemas exteriores de arranque en algunos modelos, y que el desmontaje del rotor por tareas de mantenimiento hace necesaria que toda la maquinaria del aerogenerador sea desmontada. o Aerogenerador con rotor Savonius: Es el modelo más simple de rotor, consiste en cilindros huecos desplazados respecto su eje, de forma que ofrecen la parte cóncava al empuje del viento, ofreciendo su parte convexa una menor resistencia al giro. Se suele. 41.

(45) mejorar su diseño dejando un espacio entre ambas caras para evitar la sobre presión en el interior de la parte cóncava. Pueden construirse superponiendo varios elementos sobre el eje de giro. No son útiles para la generación de electricidad debido a su elevada resistencia al aire. Su bajo coste y fácil construcción les hace útiles para aplicaciones mecánicas.. Figura 7 Aerogenerador Savonius o Aerogenerador con rotor Darrieus: Patentado por G.J.M. Darrieus en 1931, es el modelo de los aerogeneradores de eje vertical de más éxito comercial. Consiste en un eje vertical asentado sobre el rotor, con dos o más finas palas en curva unidas al eje por los dos extremos, el diseño de las palas es simétrico y similar a las alas de un avión, el modelo de 42.

(46) curva utilizado para la unión de las palas entre los extremos del rotor es el de Troposkien, aunque puede utilizarse también catenarias. Evita la necesidad de diseños complejos en las palas como los necesarios en los generadores de eje horizontal, permite mayores velocidades que las del rotor Savonius, aunque sin alcanzar las generadas por los modelos de eje horizontal, pero necesita de un sistema externo de arranque.. Figura 8 Aerogenerador Darrieus o Aerogenerador con rotor Giromill: Este tipo de generadores también fueron patentados por G.J.M. Darrieus. Consisten en palas verticales unidas al eje por unos brazos horizontales, que pueden salir por los extremos del aspa e incluso desde su parte central. Las palas verticales cambian su orientación a medida que 43.

(47) se produce el giro del rotor para un mayor aprovechamiento de la fuerza del viento.. Figura 9 Aerogenerador Giromill o Aerogenerador con rotor Windside: Es un sistema similar al rotor Savonius, en vez de la estructura cilíndrica para aprovechamiento del viento, consiste en un perfil alabeado con torsión que asciende por el eje vertical. La principal diferencia frente a otros sistemas de eje vertical es el aprovechamiento del concepto aerodinámico, que le acerca a las eficiencias de los aerogeneradores de eje horizontal.. 44.

(48) Figura 10 Aerogenerador Windside.  Eje Horizontal: En la actualidad la gran mayoría de los aerogeneradores que se construyen conectados a red son tripalas de eje horizontal. Los aerogeneradores horizontales tienen una mayor eficiencia energética y alcanzan mayores velocidades de rotación por lo que necesitan caja de engranajes con menor relación de multiplicación de giro, además debido a la construcción elevada sobre torre aprovechan en mayor medida el aumento de la velocidad del viento con la altura. o Tripala: Es el más empleado en la actualidad, consta de 3 palas colocadas formando 120º entre sí. Un mayor número de palas aumenta el peso y coste del. 45.

(49) aerogenerador, por lo que no se emplean diseños de mayor numero de palas para fines generadores de energía de forma comercial, aunque si para fines mecánicos como bombeo de agua etc.. Figura 11 Aerogenerador Tripala o Bipala: Ahorra el peso y coste de una de las palas respecto a. los. aerogeneradores. Tripala,. pero. necesitan mayores velocidades de giro para producir la misma energía que aquellos. Para evitar el efecto desestabilizador necesitan de un diseño mucho más complejo, con un rotor basculante y amortiguadores que eviten el choque de las palas contra la torre.. 46.

(50) Figura 12 Aerogenerador Bipala o Monopala: Tienen, en mayor medida, los mismos inconvenientes que los Bipala, necesitan un contrapeso en el lado opuesto de la pala, por lo que el ahorro en peso no es tan significativo.. Figura 13 Aerogenerador Monopala o Orientadas a barlovento: Cuando el rotor se encuentra enfocado de frente a la dirección del viento dominante, 47.

(51) consigue un mayor aprovechamiento de la fuerza del viento que en la opción contraria o sotavento, pero necesita un mecanismo de orientación hacia el viento. Es el caso inmensamente preferido para el. diseño actual de. aerogeneradores.. Figura 14 Aerogenerador Orientado a Barlovento o Orientadas a sotavento: Cuando el rotor se encuentra enfocado en sentido contrario a la dirección del viento dominante, la estructura de la torre y la góndola disminuye el aprovechamiento del viento por el rotor, en este caso el viento es el que orienta con su propia fuerza a la góndola, por lo que no son necesarios elementos de reorientación automatizada en la teoría, aunque si suelen utilizarse como elemento de seguridad. Las palas y la góndola son construidos con una mayor flexibilidad que en el caso de orientadas a barlovento.. 48.

(52) Figura 15 Aerogenerador orientado a Sotavento 2.2.8. Energía Solar. 2.2.8.1. Energía Solar en el Mundo26 La fotovoltaica liderará a las renovables con un ritmo de crecimiento anual del 14,6% hasta 2019. Otro informe sobre el mercado mundial de las energías verdes ha predicho que la energía solar fotovoltaica será la que liderará el crecimiento entre todas las fuentes de energía renovables. El informe The Green Energy Market – Industry Analysis, Market Size, Share, Growth, Trends and Forecast, 2013-19 predice que el mercado de energía verde global, que era de 470.100 millones de dólares en 2012, alcanzará un valor de 831.990 millones dentro de cuatro años, en 2019.. 26. https://elperiodicodelaenergia.com/la-fotovoltaica-liderara-a-las-renovables-con-un-ritmo-decrecimiento-anual-del-146-hasta-2019/. 49.

(53) El informe, realizado por Transparency Market Research dice que las energías verdes disfrutarán de una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 8,3% anual hasta 2019 y la cifra global. será. superada. significativamente. por la. industria. fotovoltaica, que registrará una tasa de crecimiento anual del 14,6%, gracias a la continua caída de sus costes y de los precios de los contratos. En este sentido, el informe no duda en poner como ejemplo el reciente contrato de compra de energía a largo plazo suscrito en Dubai (Emiratos Árabes) a un precio de 6 centavos de dólar/kWh. Los autores del informe dicen que la fotovoltaica liderará a las renovables y marcará el camino hacia el futuro a los biocombustibles, la eólica, la hidráulica y la geotérmica, a pesar de que la hidroeléctrica, hoy por hoy, sigue siendo la tecnología renovable que lidera el mercado mundial. En la actualidad la potencia instalada supera los 1.000 GW y según las previsiones de. la Agencia. Internacional. de. la. Energía, la. energía. hidroeléctrica seguirá creciendo a un ritmo importante hasta doblar su potencia actual y superar los 2.000 GW de potencia instalada en 2050. Y es que la energía hidroeléctrica ha gozado hasta ahora de numerosas ventajas sobre la mayoría de otras fuentes de energía eléctrica, incluyendo un alto nivel de fiabilidad, tecnología probada y de alta eficiencia, los costes más bajos de. 50.

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