parte 1d energía eólica

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FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA UNCP

USO DE LA ENERGÍA EÓLICA PARA PRODUCIR ENERGÍA

ELÉCTRICA EN EL CENTRO POBLADO DE VIQUES

INTRODUCCIÓN

El presente estudio se basa en la conversión de la Energía Eólica en Energía

Eléctrica para ser suministrado al Centro Poblado de Viques como una alternativa de

Generación que no deja residuos peligrosos y contar con un recurso inagotable que es el

aire. Dicho aprovechamiento del viento puede sustituir al combustible fósil, evitar el

recalentamiento terrestre y parar la gran emisión de millones de toneladas de dióxido de

carbono. Además a diferencia de otras fuentes de energía sus costos están bajando

como consecuencia del avance tecnológico en la producción de los equipos necesarios y

la complementación con la más moderna tecnología electrónica, sobre todo, puede

ayudar eficazmente a disminuir en forma drástica la emisión de dióxido de carbono a la

atmósfera.

Se hará una proyección de demanda a 20 años con datos históricos de la

población proporcionadas por el INEI y para la generación de la potencia se utilizarán

los datos de la velocidades del viento del lugar proporcionadas por el SENAMHI.

http://www.monografias.com/trabajos14/ciclos-quimicos/ciclos-quimicos.shtml#car

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CAPÍTULO I

DESCRIPCIÓN GENERAL

1. TIPO DE FUENTE

La fuente de generación a utilizar es la energía eólica para aprovechar la energía

del viento que hay en nuestro valle.

El generar energía eléctrica a base de energía eólica no requiere que exista un

proceso de combustión o una etapa de transformación térmica y, desde el punto de

vista medioambiental, es un procedimiento muy favorable por ser limpio y está

exento de problemas de contaminación

Cada Kwh. de electricidad generada con energía eólica en lugar de carbón, evita:

0,60 Kg. de CO2, dióxido de carbono.

1,33 gr. de SO2, dióxido de azufre.

1,67 gr. de NOx, óxido de nitrógeno.

2. UBICACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO

Viques se ubica en la provincia de Huancayo, departamento de Junín. Sus

límites son al Norte con Huayucachi, por el Sur con Cullhuas, en el Este con

Marcavalle y por el Oeste con Yanacancha.

3. CLIMA Y TEMPERATURA

El clima que se encuentra a una altitud de 3186 msnm es del tipo templado frio.

Latitiud: 12º 9’ 8’’

Longitud: 75º 14’ 14’’

La velocidad máxima del viento es de aproximadamente 6 m/s

4. POBLACIÓN

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Población Censada - 2005: 1668

Tasa de crecimiento promedio anual: 1,35%

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

1. LA ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica es la energía que transfiere el viento a un rotor, el cual se

encarga de convertir esta energía eólica en energía motriz.

2. LA ENERGÍA EN EL VIENTO

En un aerogenerador el flujo de aire que atraviesa el rotor es función de la velocidad del viento, el área del rotor y la densidad del aire.

ROTOR

Rotor

A = área de barrido del rotor

V = velocidad del viento

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3. POTENCIA CINÉTICA DEL VIENTO

La potencia cinética es la energía cinética por unidad de tiempo. La potencia

cinética es función de la velocidad del viento y del flujo másico, el cual a su vez es

función del flujo volumétrico y la densidad del aire.

El flujo volumétrico de viento se expresa mediante:

Flujovolum é trico=AV [m3/s ]Donde:

A = área del rotor eólico [m2]

V = velocidad del viento [m/s]

El flujo másico de viento se expresa mediante:

Flujomásico=ρ AV [kg/ s ]

Donde:

r = densidad del aire [1,2 kg / m3)



La energía cinética del viento se expresa mediante:

P= 12mV 2 [ J ]

Donde:

m = masa de aire [kg]


La Potencia Cinética del Viento puede ser evaluada mediante:

P=12ρ AV 3 [W ]

Donde:

r = densidad del aire [1,2 kg / m3)


El área de barrido del rotor está definida por la longitud de la pala. La velocidad del viento que actúa sobre el área de barrido se convierte en energía eólica.

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4. POTENCIA TEÓRICA MÁXIMA

En 1926, el Dr. Albert Betz formuló la máxima potencia teórica que se puede

extraer del viento, estableciendo para ello el “coeficiente de Betz”.

P es la potencia teórica máxima que se puede aprovechar del viento, y Po es la

potencia cinética del viento. Este gráfico ilustra como varia el ratio de potencia

máxima (P/Po) en función al ratio de velocidades V1 y V2. Se observa que la

potencia teórica máxima se obtiene cuando V2 / V1 es 1/3.

Existe relación entre las velocidades, V1 y V2, y la potencia téorica máxima del viento que el rotor puede utilizar.

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La Potencia Teórica Máxima (Betz) es:

Potenciateóricamáxima=( 1627 )1

2ρ A V 3 [W ]

Donde:

r = densidad del aire (1,2 kg / m3)

A = área del rotor eólico (m2)

V = velocidad del viento (m/s)

Las potencias de aerogeneradores pueden ser estimadas mediante:

Paerogenerador=0,15 AV 3 [W ]

Donde:

A = área del rotor eólico (m2)

V = velocidad del viento (m/s)

5. DENSIDAD DEL AIRE

La densidad del aire (ρ) puede ser evaluada mediante:

ρ= PRT

[kg /m3 ]

Donde:

P = presión [Pa]

R = constante universal [287 J/kg-K]

T = temperatura [K]

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6. POTENCIA POR UNIDAD DE ÁREA

Considerando la densidad del aire 1,225 kg/m3, se puede obtener valores de la

potencia por unidad de área del rotor, expresada en Watts por m2.

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7. VARIACIÓN DENSIDAD VS. ALTURA

La densidad del aire, a determinada altura, se evalúa mediante:

ρ=P0(1−αZ

T 0 )gαR

RT[kg /m3 ]

Donde:

Z = altura [m]

Po = presión a nivel del mar: 1,01325 x 105 Pa

R = constante universal: 287 J/kg-K

g = aceleración de la gravedad: 9,81 m/s2

T = temperatura [K]

To = temperatura a nivel del mar: 288 K

a = coeficiente: 0,0065 K/m

8. VARIACIÓN TEMPERATURA VS. ALTURA

La temperatura del aire, a determinada altura, se estima mediante:

T=T 0−αZ [K ]

Donde:

Z = altura [m]

a = coeficiente: 0,0065 K/m

To = temperatura a nivel del mar: 288 K

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CAPÍTULO III

PROYECCIÓN DE DEMANDA

1. TASA DE INCREMENTO POBLACIONAL (INEI)

T inc=( PobiPobo )1/n

−1

Donde:

- Pobi : población del último censo- Pob0 : población de censo anterior- T inc: tasa incremental en base a los censos- n : número de años transcurridos entre censos

TASA DE CRECIMIENTO POBLACIONAL

CENSOS DE POBLACIÓNDistrito Provincia 1,972 1,981 1,993 2,005

Viques Huancayo 1,150 1,353 1,503 1,668

Distrito Provincia de 1972 - 1981 de 1981 - 1993 de 1993 - 2005 TC(%)

Viques Huancayo 1.82% 0.88% 0.87% 1.35%TC Prom. (%) 1.35%

2. PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN

Pobi=Pob0(1+T inc)n

Donde:

- Pobi: población proyectada

- Pob0: población inicial

- T inc: tasa incremental en base a los censos

- n: número de años a proyectar

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Población actual (2009): en base al censo 2005 y la tasa incremental calculado:

Pob2009=Pob2005(1+0.0135)4

Pob2009=1668(1+0.0135)4

Pob2009=1760

Proyección de la población a 20 años (2029):

Pob2029=Pob2009(1+0.0135)20

Pob2029=1760(1+0.0135)20

Pob2029=2300

3. NÚMERO DE FAMILIAS PROYECTADAS

¿ fam=Pob2029

Denf

Donde:

- #fam: número de familias al año2029

- Denf : densidad familiar igual a 6 (INEI)

¿ fam=23006

¿ fam=383

4. NÚMERO DE ABONADOS DOMICILIARIOS

¿abon .dom=CE .¿ fam

Donde:

- ¿abon .dom : número de abonados domiciliarios

- CE : coeficiente de electrificación igual a uno por tratarse de instalación nueva

¿abon .dom=383

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5. CONSUMO UNITARIO

y=A xB

Donde:

- A y B : son parámetros que depende del tipo de localidad, está en función al

número de habitantes y la zona donde se ubica el estudio

- y : consumo unitario domiciliario por cada abonado en kW.h por año

- x: es el número de abonados domiciliarios

Cuyas ecuaciones normales son las siguientes:

∑ log ( y )=n . log (A )+B .∑ log (x)

∑ [ log ( x ) . log ( y ) ]=log ( A ) .∑ log (x )+B .∑ [ log (x)]2

Donde:

- n: número de datos de x o y

TABLA CONSTRUIDA A PARTIR DE DATOS HISTÓRICOS DE CONSUMO UNITARIO

AÑO Nº de Hab. X Y LOG(X) LOG(Y)(LOG(X))^

2 LOG(X)*LOG(Y)

1993 1503 251 240 2.3996737212.38021124

25.7584339

7 5.711730368

1994 1516 253 252 2.4031205212.40140054

15.7749882

4 5.770854919

1995 1529 255 252 2.4065401802.40140054

15.7914356

4 5.779066891

1996 1542 257 264 2.4099331232.42160392

75.8077776

6 5.835903515

1997 1556 259 276 2.4132997642.44090908

25.8240157

5 5.890645312

1998 1570 262 276 2.4183012912.44090908

25.8481811

4 5.902853585

1999 1584 264 276 2.4216039272.44090908

25.8641655

8 5.910915018

2000 1598 266 288 2.4248816372.45939248

85.8800509

5 5.963735681

2001 1612 269 288 2.4297522802.45939248

85.9036961

4 5.975714505

2002 1626 271 300 2.4329692912.47712125

55.9193395

7 6.026759943

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2003 1640 273 312 2.4361626472.49415459

45.9348884

4 6.076166258

2004 1654 276 324 2.4409090822.51054501

05.9580371

5 6.128012116

2005 1669 278 324 2.4440447962.51054501

05.9733549

6 6.135884467

2006 1684 281 336 2.4487063202.52633927

75.9961626

4 6.186262955

2007 1699 283 348 2.4517864362.54157924

46.0112567

3 6.231409515

2008 1714 286 360 2.4563660332.55630250

16.0337340

9 6.279214633SUMATORIAS 38.83805 39.46272 94.27952 95.80513

Reemplazando las sumatorias en las ecuaciones normales tenemos:

39.46272=16 [ log (A)]+B (38.83805)

95.80513=[ log (A ) ] (38.83805 )+B (94.27952)

Resolviendo el sistema de ecuaciones obtenemos:

log ( A )=−4 .58012 entonces A=2.62954¿10−5

B=2.90 294

Entonces la ecuación para la proyección del consumo unitario domiciliario

queda:

y=2.62954 ¿10−5 x2.90 294

Ahora sabemos que para el 2029 tendremos 383 abonados domiciliarios y cada

uno tendrá un consumo al año de:

y=2.62954 ¿10−5¿3832.90 294

y=830kW .h

6. CONSUMO DE ENERGÍA EN EL SECTOR DOMICILIARIO (CESD)

CESD=¿abon . dom×CUD

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Donde:

- CUD : consumo unitario domiciliario (y)

CESD=383×830

CESD=317890 kW .h

7. CONSUMO DE ENERGIA EN EL SECTOR COMERCIAL (CESC)

Abonados comerciales:

¿abon .com=k 1×¿ abon.dom

Si hay menos a 1000 habitantes k1=0.1

Si hay entre 1000-2500 habitantes k1=0.16

Como nuestra población proyectada será de 2300 entonces el k1=0.16

¿abon .com=0.16×383

¿abon .com=61

Consumo unitario comercial(CUC):

CUC=k 2×CUD

Si hay menos a 2000 habitantes k 2=1.15

Si hay mayor o igual 2000 habitantes k 2=1.17

Como nuestra población proyectada será de 2300 entonces el k 2=1.17

CUC=1.17×830

CUC=971

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CESC:

CESC=¿abon . com×CUC

CESC=61×971

CESC=59231 kW .h

8. CONSUMO DE ENERGÍA EN ALUMBRADO PÚBLICO (CEAP)

CEAP=¿ lamparas×CU ×¿horas× ¿dias ¿¿dias×año

Donde:

- CU : consumo unitario de cada lámpara, considerando el 10% de perdida de

energía en lámparas de descarga

CEAP=100×0. 165×12×365

CEAP=72270 kW .h

9. CONSUMO DE ENERGÍA DE USO GENERAL (CEUG)

CEUG=7 %×CESD

CEUG=7%×317890

CEUG=22252 kW .h

10. CONSUMO NETO DE ENERGIA (CNE)

CNE=CESD+CESC+CEAP+CEUG

CNE=317890+59231+72270+22252

CNE=471643 kW .h

11. PERDIDAS EN DISTRIBUCION (PD)

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PD=0.06×CNE

PD=0.06×471643

PD=28299 kW .h

12. ENERGÍA A GENERAR (EG)

EG=CNE+PD

EG=471643+28299

EG=500000 kW .h

13. MÁXIMA DEMANDA DE POTENCIA (MDP)

MDP= EGhU

Donde:

- hU : horas de utilización

Si hay menos a 300 habitanteshU=1300

Si hay entre 300- 1000 habitantes hU=1500



Como nuestra población proyectada será de 2300 entonces el hU =1800

MDP= EGhU

MDP=5000001800

MDP=278 kW

14. MÁXIMA DEMANDA DE POTENCIA LOCAL (MDPL)

MDPL=MDP

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MDPL=278 kW

CAPÍTULO IV

CÁLCULO DE LOS AEROGENERADORES

1. VELOCIDAD PROMEDIO DEL VIENTO

Los siguientes valores de velocidad del viento fueron proporcionados el SENAMHI.

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Del cual podemos sacar un promedio de velocidad de 5 m/s.

2. DENSIDAD DEL VIENTO

Temperatura a 3186 msnm:

T=T 0−αZ [K ]

T=288−0.0065∗3186 [K ]

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T=267 [K ]

Densidad:

ρ=

P0(1−αZT 0 )

gαR

RT[kg /m3 ]

ρ=1.01325∗105(1−0.0065∗3186

288 )9.81

0.0065∗287

287∗267[kg /m3 ]

ρ=0.893 [kg/m3 ]

3. POTENCIA DEL AEROGENERADOR

Se considerará el diámetro de barrido del rotor de 5m.


2ρ A V 3 [W ]


20.893∗(π∗52 )∗53 [W ]

Potenciateóricamáxima=2600 [W ]

Potenciateóricamáxima=2.6kW

4. CANTIDAD Y COSTO DE LOS AEROGENERADORES

Sabemos que la máxima demanda de potencia local es de 278 kW y que con cada aerogenerador podemos generar 2.6 kW entonces el número de aerogeneradores requeridos es:

¿aerogeneradores=2782.6

¿aerogeneradores=107

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Ya que el número de abonados domiciliarios serán 383 cada aerogenerador puede ser usado entre 3 o 4 familias.

En el siguiente cuadro se muestra el costo de cada aerogenerador en US$.

Rotor (palas, cambiador de paso, cubo) 400Parte eléctrica (generador, controles, etc) 250Turbina de viento 1600Torre de cimentación 245COSTO DEL EQUIPO 2495Transporte, preparación terreno 100COSTO TOTAL DEL EQUIPO 2595

Entonces ya que serán necesarios 107 aerogeneradores, el costo total de todos los aerogeneradores será:

CT=107∗2595

CT=277665US $

CAPÍTULO V

PARTES GENERALES Y ESQUEMA DE INSTALACIÓN

1. GENERADOR ELÉCTRICO

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Para cargadores de baterías puede utilizarse alternadores de automóvil, la

desventaja es que requieren sistemas de control muy precisos y transmisiones

mecánicas de velocidad dado su alto régimen de velocidad de operación.

La tecnología más difundida en el mundo es la del generador de imanes

permanentes. Puede operar en un amplio rango de velocidades y requiere

relativamente baja velocidad para alcanzar condiciones nominales de operación.

Pueden ser de rotor axial o de rotor cilíndrico, ya sea el rotor interior o exterior.

2. BATERÍAS

El principal parámetro a tener en cuenta es la profundidad de descarga.

En sistemas eólicos se recomienda el uso de baterías de ciclo profundo. Estas

alcanzan niveles de descarga de hasta el 70% sólo en casos eventuales, sus

niveles de descarga nominales son del 60%.

En sistemas pequeños se utilizan mayormente capacidades de 80-100A-h.

La capacidad de una batería es función del tiempo de descarga.

Las baterías experimentan una continua descarga, esto se conoce como

autodescarga y sus valores deben ser suministrados por el fabricante.

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La capacidad se expresa en A-h (Amperio-hora) ya va acompañada de de un

subíndice que expresa el tiempo de descarga para dicha capacidad, por ejemplo,

C5, C15 representan la capacidad con tiempos de descarga de 5 y 15 horas.

Los principales tipos son de Ni-Cd (Niquel Cadmio), Pb-Sb (Plomo Antimonio)

y Pb-Ca (Plomo calcio)

3. REGULADOR ELECTRÓNICO

Protección de baterías contra sobrecarga.

Protección de las baterías contra descargas excesivas mediante la desconexión

automática de la carga.

Reconexión automática o manual.

Sistema de alarma por baja carga de baterías.

Otros sistemas más sofisticados cumplen la función de elevar el voltaje en

regímenes de vientos bajos, estos sistemas llevan el nombre comercial de power

boost.

Curva típica de autodescarga

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Los sistemas electrónicos operan con resistencias o transistores de disipación

(dump load) los cuales consumen la energía producida por la turbina cuando las

baterías están completamente cargadas.

4. TORRE

Provee a la turbina la altura necesaria para que supere obstáculos y pueda

alcanzar velocidades de viento uniformes y altas respecto al nivel del terreno.

Pueden ser tubulares o estructurales. La principal consideración en su diseño es

la frecuencia natural de vibración la cual debe ser alejada de la velocidad nominal de

rotación de la turbina.

Tipos de torres

TORRES TUBULARES DE ACERO

TORRES DE CELOSÍA

TORRES DE MÁSTIL TENSADOS CON VIENTOS

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Esquema de instalación de un aerogenerador

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CAPÍTULO VI

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

1. VENTAJAS

Es una fuente de energía segura y renovable.

No produce emisiones a la atmósfera ni genera residuos, salvo los de la fabricación de los equipos y el aceite de los engranajes.

Se trata de instalaciones móviles, cuya desmantelación permite recuperar totalmente la zona.

Rápido tiempo de construcción (inferior a 6 meses).

Es una buena fuente de energía para sitios aislados.

Beneficio económico para los municipios afectados (canon anual por ocupación del suelo). Recurso autóctono.

Se crean puestos de trabajo.

2. DESVENTAJAS

Impacto visual: su instalación genera una alta modificación del paisaje.

Modelo de un aerogenerador de 5m de diámetro

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Impacto sobre la avifauna: principalmente por el choque de las aves contra las palas, efectos desconocidos sobre modificación de los comportamientos habituales de migración y anidación.

Impacto sonoro: el roce de las palas con el aire produce un ruido constante.

Imposibilidad de ser zona arqueológicamente interesante.

Fuente de energía aleatoria e intermitente, resulta arriesgado depender de ella si no se cuenta con algún sistema que la acumule.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Según los cálculos el número total de aerogeneradores hace que tengamos que ocupar bastante terreno para la instalación.

Es posible reducir el número de aerogeneradores aumentado el área de barrido del rotor.

Si cada familia aportara un promedio de 800US$ tendría energía por 20 años.

Debido a que los cálculos son solo teóricos y a la falta de experiencias reales de instalaciones anteriores existe la posibilidad de que la generación sea menor.

Existe mucho desconocimiento de la tecnología en áreas rurales y los pobladores no confían en este tipo de generación.

Se necesita recomendaciones específicas de los especialistas nacionales para promover el empleo de la energía eólica.

Debemos apoyar económicamente al SENAMHI para que precise la información de su base de datos eólica y defina zonas de interés para una evaluación más especializada.

parte 1d energía eólica

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