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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
TESIS
Código CTI: 0303 Energía
0303 0002. Sistemas eólicos menores de bombeo de agua y de generación de electricidad para uso doméstico y
productivo
Código UNESCO: 3322 Tecnología Energética
3322.05 Fuentes no Convencionales de Energía PRESENTADO POR:
BACH. JIM ALEX VERA VIDAL
PARA OPTAR TITULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO ELECTRICISTA HUANCAYO - PERU
2020
DISEÑO DE UN SISTEMA EÓLICO AISLADO PARA LA
ELECTRIFICACIÓN RURAL EN POBLACIONES DISPERSAS EN LA PROVINCIA DE JUNÍN
DISEÑO DE UN SISTEMA EÓLICO AISLADO PARA LA
ELECTRIFICACION RURAL EN POBLACIONCES DISPERSAS EN LA PROVINCIA DE JUNIN
DISEÑO DE UN SISTEMA EÓLICO AISLADO PARA LA
ELECTRIFICACION RURAL EN POBLACIONCES DISPERSAS EN LA PROVINCIA DE JUNIN
DISEÑO DE UN SISTEMA EÓLICO AISLADO PARA LA
ELECTRIFICACION RURAL EN POBLACIONCES DISPERSAS EN LA PROVINCIA DE JUNIN
DISEÑO DE UN SISTEMA EÓLICO AISLADO PARA LA
ELECTRIFICACION RURAL EN POBLACIONCES DISPERSAS EN LA PROVINCIA DE JUNIN
2 ACTA DE SUSTENTACION
3
ASESOR
MANUEL DACIO CASTAÑEDA QUINTE
4
DEDICATORIA
Dedicado a la Pacha Mama , a mi familia y a mis colegas y docentes mentores de la UNCP.
5
AGRADECIMIENTOS
A la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.
6 INDICE
Portada ... i
Acta de sustentación ... ii
Dedicatoria ... iv
Agradecimiento ... v
Índice general ... vi
Índice de tablas ... ix
Índice de figuras ... xii
Resumen ... xv
Abstract ... xvi
Introducción ... xvii
CAPITULO I PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.2.1 Problema General ... 17
1.2.2 Problemas Específicos ... 17
1.3.1 Objetivo General ... 17
1.3.2 Objetivos Específicos ... 17
1.4.1 Logros alcanzados ... 18
1.4.2 Beneficios ... 19
CAPITULO II MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE 2.2.1 La Energía Eólica ... 22
2.2.2 Clasificación de los vientos ... 24
2.2.3 El efecto Coriolis... 27
2.2.4 La medición de la velocidad de viento ... 27
7
2.2.5 Relación potencia mecánica - velocidad del viento ... 35
2.2.6 Descripción general de un generador eólico y sus componentes ... 41
2.2.7 Curvas de funcionamiento... 43
2.3.1 Hipótesis General ... 47
2.3.2 Hipótesis Específicas ... 47
2.4.1 Definiciones conceptuales ... 48
2.4.2 Definiciones operacionales ... 48
CAPITULO III ASPECTOS METODOLÓGICOS 3.1.1 Tipo de Investigación: ... 52
3.1.2 Nivel de Investigación... 52
3.2.1 Método General ... 53
3.2.2 Método Específico ... 53
3.2.3 Diseño ... 53
3.3.1 Población ... 54
3.3.2 Muestra ... 54
CAPITULO IV PRESENTACIÓN DE RESULTADOS 4.1.1 Análisis del recurso eólico de la provincia de Junín. ... 58
4.1.2 Elección del Aero generador: ... 64
4.1.3 Cálculo del inversor ... 68
4.1.4 Cálculo del banco de baterías de ciclo profundo ... 69
4.1.5 Sistema de puesta a tierra ... 72
4.1.6 Pararrayos ... 73
8
4.1.7 Instalación del aerogenerador ... 73
4.1.8 Presupuesto del Sistema Eólico Aislado ... 76
4.1.9 Análisis de Viabilidad Económica ... 78
4.2.1 Prueba de Hipótesis General ... 81
4.2.2 Prueba de Hipótesis Específicas... 81
CONCLUSIONES ... 90
RECOMENDACIONES ... 92
BIBLIOGRAFIA ... 93
9 ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Desplazamiento de los vientos ... 23
Figura 2: Zonas cálidas en la Tierra ... 24
Figura 4 Brisas marinas ... 25
Figura 5 Flujo de aire entre dos zonas montañosas ... 26
Figura 6 Flujo de aire ante un obstáculo montañoso. ... 27
Figura 7 Veleta anemómetro de cazoletas ... 28
Figura 8 Anemómetro de presión ... 28
Figura 9 Anemómetro de resonancia y ultrasónica ... 29
Figura 10 Rosa de los vientos ... 34
Figura 11 Rosa de vientos, frecuencia y velocidad ... 35
Figura 12 Relación de potencia del viento ... 36
Figura 13 Tubo de corriente de viento ... 38
Figura 14 Límite de Betz ... 39
Figura 15 Partes de eléctricas de un aerogenerador ... 41
Figura 16 Transformaciones de energía del aerogenerador ... 42
Figura 17 Clasificación de los aerogeneradores en función a su potencia ... 43
Figura 18 Variación del Coeficiente de potencia ... 44
Figura 19 Coeficiente de potencia en función de la velocidad específica ... 45
Figura 20 Coeficiente de potencia en función de la velocidad ... 46
Figura 21 Coeficiente de par sobre el eje en función de la velocidad específica ... 46
Figura 22 Coeficientes de potencia de diferentes tipos de aerogeneradores ... 47
Figura 23 Captura de pantalla del GIS del MINEM con centros poblados sin electrificar .... 55
Figura 24 Instrumento Lista de Cotejo ... 56
Figura 25 Distribución de frecuencias de velocidad de viento ... 59
Figura 26 Factor de escala para la distribución de Weibull a 10m de altura ... 60
Figura 27 Rugosidad del terreno ... 61
Figura 28 Clasificación de las rugosidades según el tipo de superficie ... 62
Figura 29 Densidades de potencia neta y bruta ... 64
Figura 30 Batería seleccionada U-POWER ... 72
Figura 31 Ficha técnica del pararrayos FOREND ... 73
10
Figura 32 Instalación fotovoltaica ... 74
Figura 33 Representación de un Sistema Eólico Aislado ... 75
Figura 34 Disposición de aerogeneradores en las viviendas aisladas ... 75
Figura 35 Ubicación del aerogenerador propuesta por el fabricante ... 76
11 ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Dirección de los vientos ... 33
Tabla 2 Matriz de Operacionalización de la variable independiente ... 50
Tabla 3 Matriz de Operacionalización de la variable independiente ... 51
Tabla 4 Estadísticos de velocidad de viento año 2018 ... 59
Tabla 5 Estadísticos de velocidad de viento de todos los años de estudio ... 59
Tabla 6 Densidades de potencia con velocidades de viento corregidas ... 63
Tabla 7 Análisis de carga de una vivienda alto andina ... 64
Tabla 8 Datos de la demanda de una vivienda ... 65
Tabla 9 Selección de Aerogeneradores ... 65
Tabla 10 Coeficientes de potencia de aerogeneradores ... 66
Tabla 11 Producción de energía en Junín de cada aerogenerador ... 66
Tabla 12 Producción de potencia y energía de los aerogeneradores en Junín ... 68
Tabla 13 Presupuesto del proyecto ... 77
Tabla 14 Gasto en energía anual equivalente para el primera año ... 78
Tabla 15 Proyección de crecimiento de la tarifa eléctrica equivalene ... 78
Tabla 16 Flujos de caja acumulados en 25 años de proyecto. ... 79
Tabla 17 Coeficiente de Pearson calculado para velocidad de viento Hipótesis A ... 82
Tabla 18 Producción e potencia a diferentes velocidades de viento ... 82
Tabla 19 Coeficiente de Pearson calculado para densidad de aire Hipótesis A ... 83
Tabla 20 Densidades de aire, potencia y energía generada ... 83
Tabla 21 Coeficiente de Pearson para Longitud de Pala VS Producción de energía ... 85
Tabla 22 Longitudes de pala y energía producida mensualmente ... 85
Tabla 23 Coeficiente de Pearson para Coeficiente de Potencia VS Producción de energía ... 85
Tabla 24 Coeficientes de potencia y energía producida por tipo de aerogenerador ... 85
Tabla 25 Coeficiente de Pearson para Velocidad Nominal VS Producción de energía ... 86
Tabla 26 Velocidad nominal y energía producida por tipo de aerogenerador ... 86
Tabla 27 Clasificación de aerogeneradores por su tipo de eje y potencia ... 88
12 RESUMEN
La investigación se inició con la problemática de la falta de energía eléctrica de hogares alejados de la provincia de Junín, siendo este lugar el de mayor potencia eólica de la región con una densidad de viento aproximadamente 108 W/m2. Para cubrir la problemática indicada se planteó el objetivo de determinar de qué manera el diseño de un sistema eólico aislado favorece a la electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín, para lo cual se hizo una recopilación de información de velocidades de viento de la zona en estudio;
se tomaron datos del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú (SENAMHI) desde el año 2011 al 2018. Para la investigación se seleccionaron 6 tipos diferentes de pequeños aerogeneradores para los cuales se realizó un análisis de producción de energía con las condiciones de velocidad de viento y densidad de aire de la zona. La investigación fue de tipo aplicada con un nivel descriptivo – correlacional. Se llegó a la conclusión de que a pesar de que la densidad de aire disminuye con la altura y que las velocidades de viento no son elevadas en la zona de estudio, el sistema eólico diseñado puede operar dentro de límites aceptables con las condiciones de velocidad de viento y densidad de aire de la zona mediante la selección de un adecuado tipo de aerogenerador con el que se puede satisfacer la demanda energética de viviendas rurales muy distanciadas entre sí. En lo referente a la viabilidad financiera del proyecto, se demostró que éste tipo de proyectos pueden ser viables para la electrificación rural.
Palabras clave: Energía eólica, electrificación rural, energías renovables.
13 ABSTRACT
The research began with the problem of the lack of electricity in homes far from the province of Junín, this place has the highest wind power in the region with a wind density of approximately 376 W / m2. To cover the indicated problem, the objective was to find how the design of an isolated wind system favors rural electrification in dispersed populations of the Junín province. Thus, a compilation of information on wind speeds of the area under study has made; Data was taken from the National Meteorology and Hydrology Service of Peru (SENAMHI) from 2011 to 2018. For the research, 6 different kinds of small wind turbines were selected, then an analysis of energy production was carried out with the speed conditions of wind and air density in the area. This is an applied research with a descriptive - correlational level. We concluded that despite the fact that the air density decreases with height and wind speed is not high in the study area, the designed wind power system can operate within acceptable limits under the speed conditions of wind and air density in the area by selecting a suitable type of wind turbine that can satisfy the energy demand of rural homes that are far apart. Regarding the financial viability of the project, it was shown that this type of project can be viable for rural electrification.
Keywords: Wind energy, rural electrification, renewable energy.
14 INTRODUCCIÓN
Las energías no convencionales como el viento son empleadas en gran cantidad en mecanismos mecánicos en el mundo así y también como una solución para abastecer de energía eléctrica a grandes ciudades. La introducción de la energía eólica en el mercado eléctrico nacional es reciente en nuestro país siendo solamente las aplicaciones de gran potencia las que actualmente se vienen desarrollando en algunos emplazamientos como el parque eólico de Marcona. Sin embargo, su uso en la electrificación rural aún no es muy difundida y se requiere analizar su desempeño según las condiciones climatológicas de cada zona.
La estructura adoptada en esta investigación es el siguiente:
En el capítulo I, se presenta los aspectos generales de la investigación, como el problema de investigación, los objetivos y la justificación.
En el capítulo II, contiene el marco teórico que corresponde a los antecedentes, a las bases teóricas, al marco conceptual y sistema de hipótesis de la generación de energía con sistemas eólicos.
En el capítulo III, trata sobre la metodología de la investigación que se empleó en la realización de la tesis, también como se utilizó los instrumentos de recolección y análisis de datos.
En el capítulo IV, se muestra los resultados de la investigación y las conclusiones recomendaciones para el diseño de instalaciones eólicas de pequeña potencia en electrificación rural de poblaciones dispersas.
15
CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
A pesar de vivir en el siglo XXI, según el INEI en un informe publicado en 2018 solamente el 80,1% de los hogares del área rural cuentan con energía eléctrica por red pública en el último trimestre de 2017, lo que significará que existe un 19.9 % de la población que aún no cuenta con el servicio básico de electricidad. En un artículo publicado en la revista online Energía.pe se señala que según el Ministerio de Energía y Minas, el potencial de energías renovables no convencionales (ERNC) en el Perú es así:
en eólica sobrepasa los 22,000 MW, geotérmica llega a los 3,000 MW, mientras que solar y biomasa son indefinidos, lo cual nos da una idea del gran potencial que tiene el Perú para la generación con energías eólica.
Según el histórico de velocidades de viento para las poblaciones locales proporcionada por la aplicación de internet www.globalwindatlas.info existen velocidades de viento en la zona de Junín las cuales están comprendidas entre los 4 y 8.5 m/s siendo velocidades que perfectamente se adecuan a diferentes tecnologías de pequeños aerogeneradores de eje horizontal y vertical las cuales pueden constituir una alternativa para la electrificación rural en el Perú. La provincia de Junín cuenta con viviendas aisladas una de otra aproximadamente a 700 metros. Los pobladores del lugar se dedican a la ganadería. La falta de energía ocasiona pérdidas económicas porque no cuentan con calefacción para el ganado, máquinas para trasquilado, máquinas para extraer leche de las vacas y para las actividades comunes de los pobladores; pero la provincia de Junín es una de las más privilegiadas con contar con recursos eólicos que
16 van desde los 4 m/s a 7 m/s aproximadamente, recurso muy importante para la generación de energía eléctrica el cual no es aprovechado por los pobladores por la falta de tecnología y desconocimiento de proyectos eólicos.
Para cubrir los vacíos expuestos se utilizó la tesis denominada “Abastecimiento Energético de una Vivienda Aislada de la Red” (palma, 2014) el autor realiza cálculos necesarios para dimensionar una instalación que abastezca energéticamente una vivienda unifamiliar aislada de la red de distribución. Para ello se van a plantea varios casos de producción y consumo. Realizar un pequeño estudio económico de las diferentes alternativas que se van a plantear para comprobar la viabilidad de cada una de ellas.
Aporta una serie de datos y de conocimientos técnicos y teóricos para facilitar la comprensión tanto de los cálculos como de otros aspectos que conciernen a los proyectos eólicos. La investigación planeo una hipótesis general en la que se menciona que El diseño de un sistema eólico aislados influye positivamente en la electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín, lo cual fue corroborado mediante un análisis correlacional.
La tesis que nos ayudara en la investigación también será el denominado “Estudio de un mini-aerogenerador de 500 W para la electrificación de comunidades rurales en Perú: Modelización, fabricación e instalación” (BARANDA, 2017) aborda la problemática relacionada con la instalación y uso de aerogeneradores de pequeño tamaño como fuente de energía para proveer de electricidad a núcleos rurales aislados que carecen de ella, debido a factores geográficos, políticos o económicos. Este estudio se sitúa dentro de la actividad de la ONG WindAid Insitute, dedicada a esta labor y con sede en Trujillo, Perú, y en favor de comunidades rurales peruanas del norte del país. El principal objetivo es evaluar el funcionamiento de los aerogeneradores instalados por WindAid Insitute mediante un estudio aerodinámico de los mismos, con el fin de
17 identificar puntos de mejora en el diseño del sistema y ofrecer posibles soluciones de diseño para los mismos.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 1.2.1 Problema General
¿De qué manera el diseño de un sistema eólico aislado favorece a la electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín?
1.2.2 Problemas Específicos
A. ¿Cómo afectan la velocidad del viento y la densidad de aire a la electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín?
B. ¿Cómo afecta el tipo de aerogenerador a la electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín?
C. ¿Cómo afectan los costos de las diferentes tecnologías de aerogeneradores a la viabilidad de los proyectos de electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín?
OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN 1.3.1 Objetivo General
Determinar de qué manera el diseño de un sistema eólico aislado favorece a la electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín
1.3.2 Objetivos Específicos
A. Determinar cómo afecta la velocidad del viento y la densidad de aire a la electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín
B. Determinar cómo afecta el tipo de aerogenerador a la electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín.
18 C. Determinar cómo afectan los costos de las diferentes tecnologías de aerogeneradores a la viabilidad de los proyectos de electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín.
JUSTIFICACION E IMPORTANCIA
Desde un punto de vista social, la electrificación rural con sistemas eólicos brindará una solución muchos problemas que limitan el desarrollo socioeconómico de las poblaciones dispersas de las zonas altoandinas de la provincia de Junín.
Desde un punto de vista técnico-económico, esta investigación aportará nuevos criterios para el desarrollo de proyectos que fomenten la inversión privada de empresas nacionales y extranjeras.
Desde un punto de vista académico, este estudio constituirá una referencia para el diseño de sistemas eólicos en zonas altoandinas del Perú, así como para futuros estudios de generación distribuida con el uso de fuentes renovables.
Desde el punto de vista ambiental, este tipo de proyectos contribuyen a la reducción de la huella de carbono lo que se traduce en una reducción de emisiones de CO2 y de realizarse en gran escala contribuirán al ampliar el porcentaje de aporte de energía eólica al sistema eléctrico nacional.
1.4.1 Logros alcanzados
En la presente investigación se logró lo siguiente:
• Determinar la velocidad promedio de la provincia de Junín.
• Determinar el potencial eólico de la zona de estudio.
• Se logró caracterizar la carga de una vivienda alto andina de la provincia de Junín.
• Se logró proponer una alternativa de solución al problema de desabasteciendo de energía eléctrica en viviendas aisladas de la región Junín.
19 1.4.2 Beneficios
• El abastecimiento de energía en las viviendas asiladas permitirá mejorar la calidad de vida de las personas.
• Se mejorará el desarrollo de los pobladores que no cuentan con el servicio básico.
• Se crea una base de conocimiento para la comunidad estudiantil en temas de desarrollo de proyectos con pequeños sistemas eólicos en zonas rurales.
20
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE
ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Querebalú F. 2019. En su tesis denominada “Dimensionamiento de una mini central eólica para abastecer de energía eléctrica el molino de yeso Fernando Tuñoque del distrito de Morrópe”. El principal objetivo fue dimensionar una mini central eólica para suministrar de energía eléctrica al molino de yeso en distrito de Mórrope. Se analizó la demanda de energía de un molino de yeso el cual consume 279.6 kWh/día y su máxima demanda de 37 kW. Se dimensionó un aerogenerador VESTAS de 55 KW, un banco de baterías de 1500 Ah y un inversor de SUNTREE de 37kW. En las conclusiones el autor señala que se validó la viabilidad económica.
Jimenes R. 2018. En su tesis “Estudio de Viabilidad Técnica de un Mini Parque Eólico de 9 kW Conectado a La Red Eléctrica Puno, en el Sector de Ventilla Alto Puno - Departamento de Puno” tuvo como principal objetivo realizar el estudio de viabilidad técnica de un mini parque eólico de 9 kW, en el sector de Ventilla (Alto Puno) de la ciudad de Puno. El estudio concluye con la viabilidad del proyecto obteniéndose resultados de La energía anual extraíble del recurso eólico en Ventilla (Alto Puno) fue de 1,64 MWH y la energía anual disponible fue de 24,5 MWh/año. El autor concluye que con un incremento de la altura se mejora la densidad de potencia obtenible para el sistema eólico.
Bañon L. 2016. En su tesis: Proyecto de electrificación rural del pequeño sistema eléctrico Ayacucho. Tensión 22.9-13.2 kv, nos habla sobre la normativa existente en lo concerniente a electrificación rural en el Perú, explicando como funcionan las tarifas
21 cruzadas que sirven para autofinanciar éste tipo de proyectos. También detalla los criterios técnicos y económicos utilizados para el proyecto de electrificación del PSE de Ayacucho en 22.9/13.2 kV para las provincias de Huamanga y La Mar en Ayacucho. El proyecto expone el alcance, descripción del proyecto, los cálculos justificativos (eléctricos y mecánicos) y el detalle de las especificaciones técnicas.
Ferrer, 2016. “La tesis Electrificación rural con sistemas micro eólicos:
optimización del diseño”, afirma que el desarrollo de los sistemas eólicos ha sido positivo en favor de la electrificación rural ya que ésta tecnología ha empezado a probarse en pequeños sistemas de electrificación en las zonas andinas. En la investigación, el autor describe el proceso de evaluación de microsistemas de generación eólica basado en programación lineal. Las conclusiones más importantes nos dicen que existe una reducción de costos de inversión en proyectos de electrificación para comunidades con poblaciones dispersas.
Rivera R. 2016. La tesis denominada “Diseño de una Central Eólica para Suministrar Energía Eléctrica en la Zona Rural El Pancal, Centro Poblado Capote, Distrito Picsi- Provincia De Chiclayo” es un estudio de una Central eólica para la electrificación del centro poblado de Capote. Se analizó el potencial eólico y se ha calculando la máxima demanda eléctrica requerida el centro poblado para el diseño de una central de generación eólica, los resultados obtenidos muestran que se requiere un aerogenerador de 5 kW para satisfacer la demanda requerida.
Suau, 2014. La tesis “Diseño y Construcción de una Mini-Turbina Eólica”, en una investigación aplicada da a conocer sus resultados en los que realiza el modelamiento del rotor de un aerogenerador, diseñando las palas basadas en la ingeniería de materiales y los perfiles aerodinámicos NACA. En el estudio el autor diseña un software en el que se evalúan los perfiles aerodinámicos y su comportamiento.
22 González, 2011. La investigación denominada “Diseño y construcción de un generador eólico de energía eléctrica continua” realiza el diseño y pruebas experimentales de un aerogenerador que incorpora un generador de corriente continua.
El autor ha orientado su trabajo a la sustitución de tecnologías energéticas basadas en consumo de hidrocarburos por sistemas ecológicamente amigables.
BASES TEÓRICAS 2.2.1 La Energía Eólica
El viento está caracterizado por su condición aleatoria y variable, la que normalmente depende de condiciones atmosféricas que no pueden ser controladas ni modificadas por el hombre. Esto hace necesario muchas mediciones y un análisis estadístico minucioso de las velocidades de viento en un determinado lugar como condición previa para el desarrollo de proyectos destinados a su aprovechamiento.
(Maque, 2013)
La energía eólica representa la energía cinética del viento y para su aprovechamiento en la historia del hombre se han desarrollado diferentes sistemas tecnológicos. (Carta y Calero, 2009)
La energía eólica es la fuente de energía renovable con mayor crecimiento en los últimos 20 años En la actualidad los aerogeneradores modernos con potencia de 1 kW pueden significar unas 2000 toneladas de CO2 de emisiones reducidas en comparación a energía producidas por fuentes de generación convencionales como diésel y carbón.
(Trifunović, 2007).
Los vientos son una consecuencia de la radiación solar y de la redondez de la tierra, que debido a las diferencias de insolación entre diferentes puntos de la superficie,
23 por efectos de convección las masas de aire fluirán de los puntos de menor temperatura a los puntos de mayor temperatura. (Carta y Calero, 2009).
Figura 1 Desplazamiento de los vientos
Fuente: Libro de Carta y Calero Centrales de Energías Renovables
Los recursos eólicos se caracterizan por su condición aleatoria y variable la cual está condicionada por diferentes factores que no pueden ser manipulados por el hombre o la tecnología. Por ello su estudio requiere numerosas mediciones y un análisis estadístico minucioso como un requisito previo para la formulación de proyectos para su aprovechamiento. (Maque, 2013)
Los la velocidad y dirección de los vientos está condicionado por la temperatura de las masas de aire, por lo que tiende a fluir de norte a sur y en el sentido de los focos de menor temperatura a los de mayor temperatura. (WeatherCyclopedia, 2018).
En la figura se puede apreciar que las zonas de mayor temperatura están distribuidas geográficamente e en la zona ecuatorial, y las zonas de menor temperatura en los polos, por lo que se puede apreciar como los vientos fluyen hacia las zonas ecuatoriales de la Tierra.
24
Figura 2: Zonas cálidas en la Tierra Fuente: (Windpower, 2013)
2.2.2 Clasificación de los vientos 2.2.2.1 Vientos geostróficos
Se denomina a sí a la aproximación matemática del comportamiento de los vientos basado en diferentes parámetros como la presión, temperatura y densidad del aire.
Según el modelo planteado la velocidad del viento se expresa utilizando la siguiente fórmula:
𝑉𝑔 = 1
2. 𝑤. 𝜌. 𝑠𝑒𝑛∅.𝜕𝑝
𝜕𝑛 Donde
Vg = Velocidad de viento
w = velocidad angular expresada en rad/seg
= densidad de aire
∅ = Latitud de la zona de estudio
𝜕𝑝
𝜕𝑛 = Gradiente de presión
2.2.2.2 Vientos de superficie
25 Son variaciones de viento a alturas de 100 metros. El mismo que es lento por la rugosidad de la tierra y obstáculos. Es tipo de viento es importante para la generación de electricidad (windpower, 2013).
2.2.2.3 Tipos de Vientos
Según diversos autores, los vientos se pueden clasificar de la siguiente forma:
• Vientos de Laderas: Son aquellos que se forman por diferencia de temperaturas en los montes y laderas las cuales se encuentran en las proximidades de los valles.
• Vientos de Valle: Son aquellos que se forman por diferencias de temperatura horizontal a lo largo de la superficie de los valles entre el aire existente la parte interior del valle y el aire que se encuentra en las áreas circundantes.
• Vientos inducidos térmicamente: En este tipo se encuentran las brisas marinas y las corrientes valle-montaña. Las brisas marinas se originan debido a la diferencia de temperatura superficial del agua y de la tierra, durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el agua, haciendo que el viento sople desde el mar. Por la noche sucede lo contrario, la tierra se enfría más rápidamente que el agua, por lo que el viento soplará hacia el mar.
Figura 3 Brisas marinas
Fuente: Libro Centrales de Energías Renovables
26 2.2.2.4 Elementos que condicionan la aparición de vientos
Vientos inducidos por la orografía: Están condicionados por el perfil topográfico del terreno y dependerán del obstáculo y su orientación. Si la distribución orográfica es tal que hay dos zonas montañosas próximas, el flujo de aire se ve obligado a atravesar por entre las montañas.
Figura 4 Flujo de aire entre dos zonas montañosas
Fuente: Libro de Carta y Calero Centrales de Energías Renovables
El teorema de Bernoulli se puede aplicar al movimiento de las masas del aire, por lo que cuando se tienen vientos que fluyen hacia una montaña, se podrá notar que su flujo se concentra en la parte superior de la montaña, tal como sucedería con un fluido que circula por una tubería la cual reduce su sección.
(Carta et all, 2009) afirma que en forma general, se puede considerar que los factores que influyen en el régimen de vientos en una zona determinada son: Situación geográfica, Características climáticas locales, Topografía de la zona e Irregularidades del terreno.
27
Figura 5 Flujo de aire ante un obstáculo montañoso.
2.2.3 El efecto Coriolis
La fuerza de Coriolis es una de las tres fuerzas inerciales de la física clásica, que en denominada así en honor a Gaspard Gustave de Coriolis, la define como el efecto que se observa en un sistema de referencia en rotación cuando un cuerpo se encuentra en movimiento respecto de dicho sistema de referencia. Dicho efecto se debe a la presencia de una aceleración relativa del cuerpo en dicho sistema en rotación. Esta aceleración es siempre perpendicular al eje de rotación del sistema y a la velocidad del cuerpo. Métodos para estimar la velocidad del viento sobre la Tierra.
2.2.4 La medición de la velocidad de viento
Se puede realizar medidas de velocidad de viento mediante rotación, para para el cual se puede utilizar anemómetro de cazoletas el que es actualmente el instrumento más utilizado.
Para la medición de la velocidad de viento se puede utilizar los anemómetros de cazoletas, los cuales cuentan con un dispositivo que cuantifica las revoluciones y las
28 convierte a través de dispositivos electromecánicos o electrónicos a valores de velocidades expresados en metros por segundo.(Mur Amada I, 2012)
Figura 6 Veleta anemómetro de cazoletas Fuente: (Osuna, 2013)
Figura 7 Anemómetro de presión Fuente: ( AMMONIT, 2018)
Otro tipo de anemómetro menos conocido es el anemómetro de presión basado en la teoría de Pitot. El sistema cuenta en un extremo con una toma de aire y en el otro un sensor que relaciona la presión con la velocidad. (AMMONIT, 2018)
29 El anemómetro de resonancia acústica, se basa en la medida del sonido en el interior del equipo y la información se relaciona con las medidas en decibelios registradas por el instrumento que relaciona el sonido con la velocidad de viento y su dirección.
(Ammonit, 2018)
Figura 8 Anemómetro de resonancia y ultrasónica Fuente: (AMMONIT, 2018)
Una forma de medir la velocidad de viento en forma indirecta es a través de la distribución de Weinbull. Bajo este método se analiza una distribución de frecuencias con velocidades de vientos. (Andrés & David, 2016).
Las ecuaciones planteadas son las que se ponen a continuación (Rosales et al., 2014):
𝑓(𝑥) =𝑘 𝑎(𝑥
𝑎)
𝑘−1
. 𝑒𝑥𝑝 [− (𝑥 𝑎)
𝑘
]
𝐹(𝑈) = 1 − 𝑒𝑥𝑝 [− (𝑥 𝑎)
𝑘
] Dónde:
x = velocidad del viento.
a = factor de escala
30 k = factor de forma
El valor de k cuando tiene mayor distribución menor será su valor. Es prioridad determinar los valores de k y a. es recomendable tomar varias datos en el tiempo previsto.
Si contamos con velocidades de viento promedio es recomendado utilizar la ecuación de Rayleigh (Rosales et al., 2014):
𝑓(𝑥) =2𝑥
𝑏2𝑒𝑥𝑝 [−𝑥2 𝑏2]
Según Hellman la velocidad de viento varia en forma directamente proporcional con la altura, es decir que a mayor altura mayor velocidad de viento. El modelo de Hellman toma como parámetros la altura de la estación meteorológica de referencia y la altura a la que se quiere hacer la corrección de velocidad y un coeficiente de rugosidad del terreno que dependerá del tipo de superficie con la que se cuenta. Según la teoría, a alturas superiores a 200 metros la rugosidad se vuelve casi nula. (Cochancela &
Astudillo, 2014):
𝑉 𝑉0= (𝐻
𝐻0)𝛼 Dónde:
V = velocidad de viento a la altura H (altura del rotor del aerogenerador).
𝑉0 = velocidad de viento a la altura 𝐻0 (altura de la estación meteorológica)
= Coeficiente de rugosidad
Así también existe otra expresión que solamente considera las alturas, despreciando el valor de la rugosidad.
31 𝑽 =
𝒗𝒓𝒆𝒇. 𝐥𝐧 (𝑨 𝑨𝟎) 𝐥𝐧 (𝑨𝒓𝒆𝒇
𝑨𝟎 ) Dónde:
V = Velocidad de viento a la altura A
(𝐴𝑟𝑒𝑓) 𝑦 𝑣𝑟𝑒𝑓 = Velocidad y alturas conocidas A = altura para la velocidad deseada 𝑉.
𝐴0 = altura de rugosidad en la dirección de viento actual.
La densidad de potencia está definida por la relación de potencia sobre una superficie específica, para ello esta expresión se hace equivalente a una constante por el valor de la densidad por la velocidad del aire al cubo. (Cochancela & Astudillo, 2014):
𝑑𝑤 =P A =1
2𝜌𝑣3 P/A = densidad de potencia (W/m2)
= densidad de aire de la zona (kg/m3).
v = velocidad de viento (m/s.)
Otra expresión para la densidad de potencia:
𝑑𝑤 =1
2∑ 𝜌𝑣𝑖3
𝑛
𝑖
n = número de registros
= densidad de aire durante la observación.
𝑣𝑖3 = velocidad de viento en el intervalo de tiempo observado
Esta ecuación se emplea con muestreos realizados cada 10 minutos.
32 Para el cálculo de la densidad de aire se pueden usar varias expresiones como:
𝜌 = 𝑃 𝑅. 𝑇 P = presión atmosférica
R = Constante de Estefan Boltzmann T = temperatura expresada en Kelvin
Otra expresión basada en la presión 𝜌 = ( 𝑃0
𝑅. 𝑇) 𝑒(−𝑔ℎ𝑅.𝑇) P0 = Presión atmosférica a nivel del mar g = gravedad
h = altura expresada en msnm.
La expresión reducida de la densidad de aire teniendo en cuenta la temperatura:
𝜌 = (353.05
𝑇 ) 𝑒−0.034(𝑇𝑧)
2.2.4.1 Dirección de vientos Rosa de los vientos
La obtención de la dirección de vientos es a través de una herramienta el cual lleva por nombre rosa de los vientos, el cual indica un porcentaje de tiempo en que el viento va a una dirección determinada.
La construcción de la rosa de vientos es mediante un diagrama polar de porcentaje y velocidad media.
33 Según la bibliografía se pueden determinar 16 direcciones, siendo 8 primarias y 8 secundarias.
Tabla 1 Dirección de los vientos
Fuente: (Publicaciones Didácticas, 2014)
Es posible mostrar las velocidades en grados sexagesimales en un círculo de 360 divisiones. Se puede dividir los 360 grados en ocho, doce o dieciséis partes. Para mostrar la rosa de los vientos de frecuencias y velocidades usando 16 partes, se sigue la secuencia que a continuación se indica:
Primero: Efectuar un circulo (360 grados).
Segundo: Dividir los 360 grados en dieciséis partes, correspondientes a las direcciones indicadas en la figura N° 5. Cada parte es de 22.5 grados, lo cual podemos observar el la Figura.
34
Figura 9 Rosa de los vientos Fuente: (Publicaciones Didácticas, 2014)
Tercero: Logradas las frecuencias ocurridas en cada rango de velocidad y dirección elegidos, debe procederse a graficarlas, para lo cual se marca en el grafico la frecuencia correspondiente a determinada dirección.
Cuarto: Seguidamente, se unen las marcas de frecuencia de cada dirección.
Quinto: La representación de velocidad del viento se divide en intervalos, siendo la unidad en metros sobre segundo. Se marca la velocidad media correspondiente a una determinada dirección.
Sexto: Se unen las marcas de velocidades para cada dirección. La Figura 2 nos muestra la resultante.
35
Figura 10 Rosa de vientos, frecuencia y velocidad Fuente: (Publicaciones Didácticas, 2014)
La rosa de los vientos debe contener el lapso de tiempo para el que se construyó y la altura del instrumento de medición de velocidad de viento para las observaciones efectuadas. Tal representación permite tener claridad del comportamiento del viento en un lugar determinado.
En la Figura 6 podemos observar que se tiene más potencial eólico en dirección oeste noroeste correspondiente a una velocidad de trece metros por segundo, también se observa que la dirección en que fluye el viento más frecuentemente es oeste, con una frecuencia de que está presente en un quince por ciento.
2.2.5 Relación potencia mecánica - velocidad del viento
El cálculo de la potencia de un aerogenerador está relacionada con la energía cinética de la masa de aire. La energía cinética está relacionada con el cuadrado de la velocidad multiplicada por la masa. Dado que el aire se considera como una masa en movimiento se aplicará la siguiente expresión para su cálculo.
𝐸𝐶 = 1 2𝑚𝑣2
36 Podría tener también la siguiente expresión:
𝐸𝐶 =1 2𝑣𝜌𝑣2
m = masa de aire, se puede expresar como 𝜌 . 𝑣 v = volumen de aire desplazado
𝜌 = Densidad del aire
Teóricamente se considera que el volumen de aire que llega al área de barrido del rotor del aerogenerador está dado por:
𝑉= At Donde:
V = Volumen de la masa de aire
A: Área de barrido del rotor del aerogenerador t : Intervalo de tiempo del flujo de aire.
En la figura se ilustra la relación expuesta
Figura 11 Relación de potencia del viento
37 Sustituyendo las ecuaciones se llega a:
𝐸𝐶 = 1 2𝐴𝑡𝜌𝑣3
De la simplificación finalmente se obtiene la expresión que nos servirá para el cálculo de la potencia teórica del aerogenerador.
𝑃𝑣 = 1 2𝐴𝜌𝑣3
Dada la influencia de la velocidad del viento en la potencia resultante, es necesario hacer un buen estudio de velocidades de vientos antes para poder dimensionar adecuadamente un sistema eólicos de cualquier tipo.
Se debe considerar el Coeficiente de Potencia (Cp) en el diseño de todo sistema eólico, el cual representa la relación de conversión de energía entre la potencia suministrada y la potencia útil del aerogenerador.
Los coeficientes de potencia de los aerogeneradores vienen dados por los fabricantes y rondan el 40%. Para ello se debe tener en cuenta la ley de Betz, que demuestra que el Cp tiene no puede exceder en ningún caso el 59% o su equivalente decimal ( 16/27).
Así se puede apreciar que la potencia máxima extraída por la turbina corresponde a la siguiente expresión:
𝑷𝒕 = 𝑪𝒑𝑷𝒗= 𝑪𝒑𝟏 𝟐𝑨𝝆𝒗𝟑
Si tenemos en cuenta el coeficiente de potencia, la potencia eléctrica obtenible por el aerogenerador estaría dada por la siguiente expresión:
𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒆𝒍é𝒄𝒕𝒓𝒊𝒄𝒂 = 𝑪𝒑∗ 𝐏𝐨𝐭𝐞𝐧𝐜𝐢𝐚 𝐦𝐞𝐜á𝐧𝐢𝐜𝐚 = 𝑪𝒑 𝟏 𝟐𝛒𝐀𝒗𝟑
38 Una turbina eólica jamás podrá extraer toda la potencia del viento debido que en su rotación parte del viento atravesará sin tener contacto con las palas del aerogenerador, es por ello que los aerogeneradores con mayor cantidad de palas mejoran su aprovechamiento de potencia. Por ello en la figura se aprecia como la velocidad de viento V1 disminuye a V2 y por conservación de la masa, la disminución de la velocidad ocasionara que la sección teórica del tubo aumente.
Figura 12 Tubo de corriente de viento Fuente: (Alonso, 2017)
Límite de Betz: Considera teóricamente un tubo de aire en el que el aire ingresa al rotor a una velocidad V1, la cual es mayor que la velocidad de salida V2. Debido a la pérdida de velocidad la masa de aire se expande.
𝑄𝑚 = ρQ = ρ𝐴1𝑉1 = ρ𝐴2𝑉2 = ρAV
(De este modo la ecuación explica la expansión del tubo de aire 𝐴2 >= 𝐴1 Se puede también expresar la perdida de potencia útil como la perdida de energía cinética del viento por unidad de tiempo cuando la masa de aire pasa por el rotor de la turbina.
39
Figura 13 Límite de Betz Fuente: (González, 2011)
𝑃𝑢𝑡𝑖𝑙= −∆𝐸𝑘
∆𝑡 = 𝐸𝑘1− 𝐸𝑘2
∆𝑡 =
1
2𝜌𝐴𝑑(𝑣12 − 𝑣22)
∆𝑡 =1
2 𝜌𝐴𝑣(𝑣12 − 𝑣22)
𝑃𝑢𝑡𝑖𝑙= 𝐹𝑣 = 𝜌𝐴𝑑(𝑉1− 𝑉2)
∆𝑡 =𝜌𝐴𝑣2(𝑉1− 𝑉2)
De las ecuaciones anteriores tenemos que:
1
2 ρAv(𝑣12 − 𝑣22) = ρA𝑣2(𝑉1− 𝑉2) v = (𝑉1+ 𝑉2
2 )
𝑃𝑢𝑡𝑖𝑙 = 1 2
ρAd(𝑉1− 𝑏𝑉1)
∆𝑡 (𝑣12 − b2𝑣22) = 1
4ρA𝑣13(1 + 𝑏)(1 −b2)
El valor máximo para la potencia se obtiene ahora haciendo d𝑃𝑢𝑡𝑖𝑙
𝑑𝑏 = 0
(1 −b2) + (1 + 𝑏)(−2𝑏) = (1 + 𝑏)(1 − 3𝑏) = 0
40 b= -1
b= 1/3 -> 𝑉2 = (1/3)𝑉1 Por ello la potencia útil obtenida está dada por:
𝑃𝑢𝑡𝑖𝑙 = (16 27)1
2ρA𝑣3
De la expresión se obtendrá que la potencia máxima a obtener en un aerogenerador de eje horizontal estará dada por:
𝐶𝑃𝐵𝑒𝑡𝑧 = 16
27 ≈ 59%
De este modo podemos mencionar algunos factores que pueden influir en el rendimiento de un aerogenerador como pueden ser:
Además, se debe considerar los rendimientos de los diferentes subsistemas del aerogenerador, los que en ningún caso llegan al 100%
• Rendimiento teórico de Betz: 59,3%
• Rendimiento del rotor: 85%
• Rendimiento de la caja multiplicadora: 98%
• Rendimiento del alternador: 95%
• Rendimiento del transformador: 98%
Para este caso se puede obtener un rendimiento global de aproximadamente un 46%, el cual en líneas generales dependerá de la ingeniería del fabricante.
Los principales componentes de un aerogenerador están dados por:
Torre, eje del rotor, palas, sistema de orientación, caja multiplicadora, alternador.
En el caso de los pequeños aerogeneradores, estos no llevan caja multiplicadora.
41 2.2.6 Descripción general de un generador eólico y sus componentes
Figura 14 Partes de eléctricas de un aerogenerador Fuente: (Martí, 2016)
Los generadores eólicos, de eje horizontal como el que se propone para esta tesis, tienen según su diseño componentes casi estandarizados, y sus componentes esenciales son:
• Subsistema de captación.
• Subsistema de transmisión mecánica.
• Subsistema de generación eléctrica.
• Subsistema de orientación.
• Subsistema de regulación.
• Subsistema soporte.
Un aerogenerador está constituido por diferentes elementos que se encargan de realizar diferentes tipos de conversión de energía en su interior. Las palas convierten la energía eólica en energía mecánica a través de su rotor. Unido al rotor se tiene una caja multiplicadora que aumenta las revoluciones del rotor con un eje conectado al eje de rotación del generador eléctrico, en el cual se convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
42
Figura 15 Transformaciones de energía del aerogenerador
Sistema rotor o turbina eólica .- Este sistema está compuesto por el conjunto de aspas y una masa central, que en conjunto conforman la hélice, encargada de extraer parte de la energía cinética del viento y transformarla en energía cinética de rotación del eje del generador. (Tomás, 2015).
Las aspas pueden seguir diversos perfiles aerodinámicos, diseñados para poder captar la máxima energía cinética, que según la naturaleza del viento en la zona del proyecto se pueden adoptar, sobre todo referente a la velocidad que podría lograrse. La hélice puede estar compuesta ya sea por una, dos, tres o más palas, siendo el modelo de tres palas el que predomina fuertemente en el mercado mundial de generadores eólicos.
43
Figura 16 Clasificación de los aerogeneradores en función a su potencia Fuente: IDAE
2.2.7 Curvas de funcionamiento
Sirven para darnos una idea del comportamiento de un aerogenerador frente a variaciones en la velocidad de viento y de otros factores relacionados a su funcionamiento.
Por ello las curvas se representan mediante parámetros adimensionales, y de este modo se puede aproximar la cantidad de potencia extraíble del sistema. La figura siguiente muestra la curva 𝐶𝑝 − 𝜆 para un ángulo de ataque de 𝛼 = 9.5° . De este modo, el valor máximo para el coeficiente de potencia se obtiene cuando 𝜆~6, de manera que si se quiere mantener la potencia rondando los valores máximo, al aumentar la velocidad del viento se debe reducir la velocidad de giro.(Liu, 2018)
44 Según la teoría aerodinámica de las palas enunciada por (Burton et al, 2001;
Manwell et al, 2002; Eggleston y Stoddard, 1987; Le Gouriére`s, 1983; Spera, 1995), la potencia mecánica del rotor vendrá dada por la siguiguiente expresión:
Figura 17 Variación del Coeficiente de potencia
Si variamos el ángulo de ataque de las palas, la velocidad de arrastre puede ser mayor que la fuerza de sustentación, Por ello para el control de potencia en grandes aerogeneradores se cuenta con un sistema que modifica el Angulo de ataque de las palas.
45
Figura 18 Coeficiente de potencia en función de la velocidad específica Fuente: (Liu, 2018)
En la figura 17 se han representado las curvas 𝐶𝑝 − 𝜆 para distintos valores del ángulo de ataque. Como se ve, la orientación de la pala influye enormemente sobre la fracción de potencia que se puede extraer del viento.
Al variar la posición respecto al ángulo de ataque óptimo, la fuerza de arrastre tiende a ser más importante y cae la fuerza de sustentación. Una buena forma de controlar la potencia que se entrega consiste en disponer de un sistema que permita modificar la posición de las palas respecto a la dirección viento.
46
Figura 19 Coeficiente de potencia en función de la velocidad Fuente: (Alonso, 2017)
La figura muestra la respuesta del coeficiente de potencia en función a la velocidad de viento con diferentes ángulos de ataque de las palas de un aerogenerador.
Figura 20 Coeficiente de par sobre el eje en función de la velocidad específica Fuente: (Castro, 2014)
47 Los aerogeneradores en general presentan diferentes velocidades elspecificas en la punta de la pala, para ello presentamos en la siguiente figura una gráfica que muestra diferentes tecnologías de aerogeneradores actualmente exiostentes, las cuales pueden trabajar con velocidades muy bajas hasta los 18m/s.
Figura 21 Coeficientes de potencia de diferentes tipos de aerogeneradores
HIPÓTESIS
2.3.1 Hipótesis General
El diseño de un sistema eólico aislado influye positivamente en la electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín
2.3.2 Hipótesis Específicas
A. La velocidad del viento y la densidad del aire influyen en la producción de energía en los sistemas de electrificación rural de poblaciones dispersas de la provincia de Junín.
48 B. El tipo de aerogenerador usado en el diseño un sistemas eólico aislado influye en la producción de energía en los proyectos de electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de la provincia de Junín.
C. Lo costos de las diferentes tecnologías de aerogeneradores influyen en la viabilidad de los proyectos de electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de la provincia de Junín.
VARIABLES
2.4.1 Definiciones conceptuales
Variable Dependiente: Electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín
Variable que está definida por el proceso de ampliación de la frontera eléctrica en las zonas rurales, localidades aisladas y de frontera del país.
Variable Independiente: Diseño de un sistema eólico aislado
Variable del estudio que viene definida por un sistema de generación de energía eléctrica de tipo aislado constituido por un aerogenerador y estructura de soporte que utiliza la fuerza del viento para accionar un generador eléctrico, el cual está conectado a un inversor y banco de baterías para el abastecimiento de energía del usuario.
2.4.2 Definiciones operacionales
Variable Dependiente: Electrificación rural en poblaciones dispersas de la provincia de Junín.
Esta variable está definida por el proceso de establecer las demandas de energía y de potencia requeridas por las viviendas a electrificar así como la viabilidad de las alternativas seleccionadas.
Variable Independiente: Diseño de un sistema eólico aislado
49 Esta variable está definida operacionalmente por las velocidades de viento, densidad de aire y tipo de aerogenerador para diseño de las especificaciones técnicas de los equipos y costo.
OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES
A continuación se presentan las matrices de operacionalización de variables para las variables dependiente e independiente.
50 MATRIZ DE OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES
“DISEÑO DE UN SISTEMA EÓLICO AISLADO PARA LA ELECTRIFICACION RURAL EN POBLACIONCES DISPERSAS EN LA PROVINCIA DE JUNIN”
Tabla 2 Matriz de Operacionalización de la variable independiente
VARIABLE DEFINICIÓN DIMENSIÓN INDICADORES ITEMS
DISEÑO DE UN SISTEMA EOLICO AISLADO
Definición Conceptual:
Sistema de generación de energía eléctrica de tipo aislado constituido por un aerogenerador y estructura de soporte que utiliza la fuerza del viento para accionar un generador eléctrico, el cual está conectado a un inversor y banco de baterías para el abastecimiento de energía del usuario.
Definición operacional:
Determinación de las velocidades de viento, densidad de aire y tipo de aerogenerador para
diseño de las
especificaciones técnicas de los equipos.
Velocidad de viento (m/s)
La potencia eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento. A mayor velocidad de viento mayor potencia.
Velocidades de viento de arranque de aerogeneradores desde 1.5m/s.
Velocidades de viento nominales de operación de 10 m/s
Densidad de aire (kg/m3)
A mayor altitud existe una disminución de la presión atmosférica, por lo que la densidad de aire disminuye al incrementarse la altitud de la zona.
Se trabajará con una densidad de aire a una altura de 4000 msnm
Tipo de
aerogenerador
La energía demandada por la carga dependerá del grado de electrificación de la zona. Para éste caso se calculará en función de las necesidades mínimas de iluminación y educación de los habitantes.
Energía de la vivienda rural de 1.735 kWh
La energía demandada determinará la capacidad del banco de baterías y la potencia nominal del aerogenerador.
Costo según tecnología
Se consideran los costos materiales de los suministros así como la mano de obra y dirección de obras teniendo en cuenta los diferentes tipos de aerogenerador.
Costos de pequeños aerogeneradores de potencia que van desde los 400W hasta los 1600W
51 MATRIZ DE OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES
“DISEÑO DE UN SISTEMA EÓLICO AISLADO PARA LA ELECTRIFICACION RURAL EN POBLACIONCES DISPERSAS EN LA PROVINCIA DE JUNIN”
Tabla 3 Matriz de Operacionalización de la variable independiente
VARIABLE DEFINICIÓN DIMENSIÓN INDICADORES ITEMS
ELECTRIFICACIÓN RURAL EN POBLACIONES DISPERSAS DE LA PROVINCIA DE JUNÍN
Definición Conceptual:
Es el proceso de ampliación de la frontera eléctrica en las
zonas rurales,
localidades aisladas y de frontera del país.
Definición operacional:
Establecer las demandas de energía y de potencia requeridas por las viviendas a electrificar así como la viabilidad de las alternativas seleccionadas.
Energía de la Carga (kWh)
La energía demandada por la carga dependerá del grado de electrificación de la zona. Para éste caso se calculará en función de las necesidades mínimas de iluminación y educación de los habitantes.
Energía de la vivienda rural de 1.735 kWh
La energía demandada determinará la capacidad del banco de baterías y la potencia nominal del aerogenerador.
Potencia de máxima demanda de la carga (W)
Suma de las potencias de todas las
cargas de alumbrado y
electrodomésticos de la instalación.
Potencia de máxima demanda para la vivienda rural de 650 W
La potencia de la máxima demanda determinará la potencia nominal del inversor.
Viabilidad
*VAN
*TIR
*PAYBACK
Si el VAN < 0, no hay viabilidad.
Si el VAN = 0, es indiferente.
Si el VAN > 0, hay viabilidad.
Si la TIR < Tasa de retorno, no hay viabilidad.
Si la TIR > Tasa de retorno, hay viabilidad.
Se tienen en cuenta los costos de inversión y los costos de la energía consumida por un suministro convencional en 20 años .
Se considera una tasa de descuento social del 4% para validación de los indicadores.
52
CAPITULO III
ASPECTOS METODOLÓGICOS
TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACION 3.1.1 Tipo de Investigación:
Por su finalidad: Aplicada. Según Ñaupas H. M., 2013, éste tipo de investigaciones están orientadas a mejorar, perfeccionar u optimizar el funcionamiento de los sistemas, los procedimientos, normas, reglas tecnológicas actuales a la luz de los avances de la ciencia y la tecnología.
Por su alcance: Longitudinal, ya que esta investigación se realizará en diferentes periodos con datos obtenidos entre los años 2015 -2019. Sampieri R. (2010)
Por su profundidad: Descriptivo. Según Sampieri R. (2010) Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades, las características y los perfiles de personas, grupos, comunidades, procesos, objetos o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis. Es decir, únicamente pretenden medir o recoger información de manera independiente o conjunta sobre los conceptos o las variables a las que se refiere.
Por sus fuentes: Cuantitativa. Según Sampieri R. (2010) este tipo de investigaciones usan la recolección de datos para probar hipótesis, con base en la medición numérica y el análisis estadístico, para establecer patrones de comportamiento y probar teorías.
3.1.2 Nivel de Investigación
Según Sampieri R. (2010) Los estudios con un nivel descriptivo pretenden detallar situaciones y eventos, es decir como es y cómo se manifiesta determinado fenómeno y busca especificar propiedades importantes de personas, grupos,
53 comunidades o cualquier fenómeno que sea sometido a análisis. Por lo mencionado, el nivel de investigación descrito es el que mejor se adecua a ésta investigación.
MÉTODO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN 3.2.1 Método General
Esta investigación tiene como base del método científico, el cual parte de un conjunto de procedimientos que van a permitir explicar, resolver y producir conocimiento de las preguntas de investigación formuladas.
3.2.2 Método Específico
Se utilizará un método descriptivo – experimental ya que según lo planteado por Sampieri R. (2010) las investigaciones descriptivas responden a preguntas de investigación que responden a la pregunta de ¿qué?, y en lo concerniente a los estudios cuasi-experimentales nos refiere a que son aquellos en los que se analiza el comportamiento de la variable dependiente mediante la manipulación de la variable independiente. Por lo mencionado, en esta investigación se analizarán los resultados de la producción de energía en los sistemas de electrificación rural en la provincia de Junín ante la manipulación deliberada de la variable independiente la que está constituida por las diferentes tecnologías y condiciones de velocidad de viento y densidad de aire de la zona.
3.2.3 Diseño
El estudio utilizara un diseño experimental, ya que mediante la manipulación de la variable independiente se intentará analizar el comportamiento de la variable dependiente seleccionando la muestra en un lugar específico con un estudio pre prueba
54 y post prueba con el que se evalúa los efectos del tratamiento comparándolo con una medición previa, su diseño es:
O1 -> X -> O2
X: Tratamiento aplicado al grupo experimental
O1: Observación de la variable dependiente antes de tratamiento.
O2: Observación de la variable dependiente después de tratamiento
Se realizara también un análisis económico con las posibles alternativas para la construcción de la planta, en el cual se determine el VAN y el TIR para los posibles diseños.
POBLACIÓN Y MUESTRA 3.3.1 Población
La población de nuestra investigación está constituida un conjunto de localidades dentro de la provincia de Junín, las cuales no cuentan con el servicio básico de electricidad o que tienen pendientes la ejecución de proyectos de electrificación rural según la base de datos de la DGER.
3.3.2 Muestra
La muestra seleccionada es te tipo no probabilístico, y será seleccionada basada en el criterio del investigador y estará constituida un aerogenerador en el centro poblado de Huichulan – Ulcumayo que cuenta con solo 5 viviendas y que forma parte del grupo del grupo de localidades que no cuentan con servicio básico de electricidad en la provincia de Junín en las cuales se diseñarán sistemas eólicos individuales ya que dichos centros poblados solo están constituidos por pequeños grupos de entre 1 a 15 viviendas.
55
Figura 22 Captura de pantalla del GIS del MINEM con centros poblados sin electrificar
TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCION DE DATOS
Análisis documental, mediante la recopilación de datos meteorológicos del SENAMHI y de la base de datos online para velocidades de viento https://globalwindatlas.info/ la cual ha sido realizada en cooperación internacional del Department of Wind Energy at the Technical University of Denmark (DTU Wind Energy) and the World Bank Group (consisting of The World Bank and the International Finance Corporation, (IFC). Así también se obtendrán datos de la Dirección General de Electrificación Rural (DGER) del Ministerio de Energía y Minas.
El instrumento que se ha empleado para la recolección de datos es una hoja de cotejo.
