teoria eolica final -...

OGPÁrea de Planeamiento

Energético

Lima, 2004

Ministerio de Energía y Minas

CURSO: USOS DE LA ENERGÍA EÓLICAPARA GENERAR ENERGÍA EN BAJAS POTENCIAS

ONG ENERGIA DESARROLLO Y VIDA - EDEVI


Curso: Usos de la Energía Eólica para generar energía en bajas potencias. 2

1.0 Introducción

El molino de viento es un invento que data de los primeros tiempos de la historia de la humanidad, en los que principalmente se le utilizaba para proveer agua para uso doméstico, para ganadería e irrigación. Existen evidencias de que los egipcios lo utilizaban 1600 A.C., para bombear agua para irrigación. Los persas utilizaban los de eje vertical para los mismos objetivos.

Los europeos llevaron la tecnología del Oriente y fueron probablemente los primeros en introducir los molinos de eje horizontal alrededor del siglo XII.

Tradicionalmente, la población utilizó estos molinos de viento en las siguientes aplicaciones:

- En bombeo de agua para uso doméstico, dar de beber a los animales e irrigación.

- Para realizar labores agrícolas, tales como moler granos, triturar caña de azúcar, trillar y cortar madera.

- En aplicaciones especiales como mover agua salada en salinas.

- Para generar electricidad (en tiempos recientes).

Los molinos de viento tal como los conocemos en Occidente, derivaron de los de agua, invirtiendo su mecanismo básico. Desafortunadamente no han sobrevivido estos primeros diseños, que fueron armados en los talleres – en todos sus tamaños – utilizando un modelo patrón, como se hace en la actualidad.

La potencia al eje de estos molinos de viento fue alrededor de 41 kW a una velocidad del viento de 7.8 m/s. Es interesante anotar que con el tipo de construcción comúnmente utilizado de 4 aspas, la relación de la velocidad tangencial en la punta de la pala, fue generalmente baja.

En islas de Grecia tales como Creta y Rodas, se han utilizado molinos de viento de vela simple por muchos siglos, principalmente en bombeo de agua, y existen cientos de ellos en funcionamiento.

En Portugal, se ha utilizado pequeños molinos de viento para irrigar parcelas. Estos molinos de 5.0 m de diámetro, pueden hacerse de metal y montarse en pequeñas torres. En áreas rurales, el tipo de cubeta es usado en irrigación. En las ciudades, frecuentemente se fija un molino al techo de las casas para subir agua de un pozo a nivel del suelo y almacenarla en el techo, cuando la presión suministrada por la comunidad es insuficiente para que suba el agua a una altura conveniente.

En los EE.UU., fueron comúnmente utilizados los molinos caseros particularmente en las zonas áridas del Oeste medio, popularizándose el tipo multipala, conocido ahora como “Americano”.



En Latinoamérica es en el Perú, donde se ha difundido bastante en el medio rural. Son dos los lugares donde se hace uso intensivo de estas máquinas: Piura (Miramar – Vichayay), donde existen alrededor de 2,000 de madera construidos por los mismos campesinos; Arequipa (Pachacútec), con aproximadamente un millar del tipo metálico de múltiples aspas, construidas en pequeños talleres de la zona. También se encuentran, en forma dispersa, máquinas de este tipo a lo largo de toda la Costa y en el Altiplano peruano.

Dado lo anterior, el presente documento está referido, principalmente, a experiencias del autor en un programa de energía en Perú realizado en el ex Itintec que duró más de 10 años y en el cual el estudio y aplicación del recurso eólico, fue uno de los aspectos más importantes. También al realizarlo en la ONG Energía Desarrollo y Vida, donde se recuperó y actualizó el conocimiento en éste tema.

2.0 Energía Eólica

Los vientos son el desplazamiento del aire que se origina como consecuencia del calentamiento de las masas, sólidas y líquidas, que existen sobre la tierra, debido a la acción del sol sobre ellas. Este calentamiento no uniforme produce a diferentes latitudes, diferencia de presión y temperatura, que motivan el desplazamiento de los flujos de aire que denominan “viento”.

Los vientos son también afectados por la gravedad, por fuerzas deflectivas debido a la rotación de la tierra y por fuerzas centrífugas, debido a la curvatura de la trayectoria del viento.

Estas fuerzas son contrarrestadas por otras provenientes de la fricción con el medio, la viscosidad propia del aire y por las barreras naturales de la geografía. Debido a la variabilidad de los vientos, es importante el estudio de sus regímenes en una zona donde se quiera aprovechar esta energía, pues para que sea posible evaluarla al instalar un aparato accionado por esta energía, será necesario conocer las condiciones predominantes del viento.

La velocidad del viento se mide en nudos, millas por hora o metros por segundo. Muchas estaciones meteorológicas reportan este parámetro a tres horas del día (observaciones sinópticas) a las 7, 13 y 20 horas y toman el promedio del viento a estas tres horas como representaciones o representativo del día. Este valor no es muy preciso y para efectos de la utilización del recurso, es preferible trabajar con promedio horarios. En la figura 1, se muestra una gráfica característica de vientos, promedio horarios para una estación de Piura.

Con información como ésta se preparan los mapas eólicos, ver figura 2, los mismos que nos dicen en que lugares se presenta este recurso con valores de interés económico. En Piura, las zonas A y C presentan vientos considerables, D, moderados y B, bajos.

Energía Aprovechable en el Viento

La energía P. conducida por una masa de aire fluido a una velocidad V, puede ser expresada como:

P = ½ • ϕ .A • V³ (2.1)



Marcha diaria de la magnitud de la velocidad del viento.

MA

GN

ITU

D D

E L

A V

ELO

CID

AD

DE

L V

IEN

TO

(m/s

)

1

5

4

3

2

6

7 108 9 11 1251 2 3 4 60

8

7

9

13 14 15 16 17 18 19 20 21 2422 23

Dpto. : PiuraEstación : Miraflores MAP - 207Mes : FebreroVelocidad Máx.Velocidad Promed.Velocidad Min.

donde:

ϕ = densidad del aire (kg/m²)

A = sección transversal del fluido (m²)

V = velocidad del fluido (m/s)

Betz demostró que la energía máxima teóricamente aprovechable del viento era 16/27 de la energía calculada por la expresión 2.1.

Fig. 1: Variación horaria de la velocidad del viento en Miraflores – Piura – Perú, durante

el mes de febrero.

En la práctica se ha demostrado que este factor se reduce a 0.4 o menos, dependiendo del diseño de la máquina, de las condiciones de su funcionamiento, etc. A la fracción de la energía del viento que puede ser transformada en energía mecánica se le conoce como el coeficiente de potencia, o Cp, que tiene valores bajos cuando la celeridad, l, (definida en la sección 3.0), es pequeña como en el caso de las aerobombas, y valores mayores cuando es alta como en el caso de los aerogeneradores. Ver figura 3. Considerando estos factores, la potencia en el eje, Pr, de una máquina eólica puede expresarse como:

Pr = Cp• ½ •ϕ • A •V ³ (2.2)

El hecho de que la potencia del viento depende del cubo de la velocidad, hace que el conocimiento de la estructura del viento en cualquier lugar sea esencial para la instalación de un molino.



1 2 543 8760

.10

0

.20

.30

.40

.50

.60

CURVAS DE COMPORTAMIENTO TIPICAS DE DIVERSAS MAQUINAS EOLICAS

Cp

BETZ

A.G. DE ALTA

2 PALAS

HOLANDES

DARRIUS

A.G. DE 3PALAS

MULTIPALA

SAVONIUS

CELERIDAD

EF

ICIE

NC

IA D

EL

RO

TO

R

λ

VELOCIDAD DE

L

D

A

M

B

M

C

Una relación particular que puede obtenerse indirectamente de los datos recogidos, es la curva de energía-frecuencia, mediante el estimado de la energía aprovechable por unidad de área según la relación de potencia (expresión 2.1.) usando un factor de reducción de 0.10 a 0.20 y multiplicándolo por la duración en horas para cada intervalo de velocidad de viento. La curva de energía frecuencia resultante, se muestra en la figura 4.

Fig. 2: Comportamiento del viento en el departamento de Piura.

De la fig. 4, se desprende que tanto en bajas como en altas velocidades de viento, la cantidad de energía que se puede extraer de éste es pequeña, por lo cual es conveniente que la máquina tenga un mecanismo de seguridad que limite su operación a un rango de velocidades en el cual se le pueda sacar el mejor provecho. También que exista alguna forma para arrancar la máquina a bajas velocidades, ya sea que se trate de bombeo como de generación de electricidad.

Fig. 3: Coeficientes de potencia típicos para rotores de diversa geometría.



1.6

0.8

2.4

3 5 7 9 11 12 V (m/s)

E

Kw

- hr

24

m

² dí

a

104 6 81 20

0.4

1.2

2.0--

( -

----

--)

Efic

ienc

ia d

el ro

tor (

% )

20

0

10

5

30

40

50

Vw ( m p h )

10 15 20 25 30

60

35

Distribuciónde la energía

40

Rotor Amal acoplado

bien acopladoRotor B

*

Fig. 4. Energía que trae una corriente de aire cuya distribución de velocidad sigue la función Rayleg.

Se trate de una aerobomba o un aerogenerador, debe proyectarse de modo que su figura de comportamiento (eficiencia en función de la velocidad del viento) sea compatible con la curva de energía-velocidad del viento, como se indica en la figura 5. Cuando no se toma en cuenta esta recomendación puede

Vw1 (mph)2

Fig. 5 Acoplamiento del comportamiento del rotor a la característica del viento en el sitio de un rotor bien acoplado. Sigue estrechamente el patrón energético local.

suceder lo que se indica en esta misma figura, y que da como resultado menos energía eléctrica o agua bombeada, según el caso. 1 Velocidad de viento. 2 Millas por hora.



0.05

12 13

C /C = 0.01d I

14 15

BETZ

5

0.2

max

Coe

ficie

nte

de p

oten

cia

máx

imo

Cp

2

0.1

00 1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

3 4 11

Celeridad

6 7

B =12

42

8 9 10

0.1

3.0 Sistema Eólico

Es un conjunto de componentes dispuesto de una determinada manera para extraer la máxima energía posible del viento y transformarla en energía útil. Ver figuras 8 y 11.

Rotor. Conjunto de palas, que se juntan en un disco central llamado cubo, que transforma le energía cinética del viento en energía mecánica en el eje del mismo. Tornamesa. Dispositivo que permite al rotor colocarse siempre frente al viento. Transmisión. Conecta la energía generada con la carga. Sistemas de control y seguridad. Estos sacan al rotor del viento cuando adquiere valores tan altos que no resulta práctico por la pequeña energía que se puede captar. Ver Fig. 4 y además produce desgaste y ponen en peligro la estructura de la máquina. Torre. Componente que permite colocar al rotor a una altura sobre el piso donde se puede recibir el viento con mayor velocidad. Almacenamiento. Dispositivo que permite guardar la energía captada del viento para ser utilizada en los momentos en que baja su intensidad o se detiene.

Todos estos componentes adquieren formas particulares, dependiendo de la aplicación de la fuerza eólica, tal como veremos más adelante.

Siendo el rotor el elemento básico para transformar la potencia del viento en potencia útil, en la fig. 6, se ha representado la influencia de la forma de un elemento de pala, caracterizado por la relación ε = CD / CL, en el comportamiento de una máquina eólica.

Fig. 6: Variaciones del coeficiente de potencia máximo vs. celeridad para diferentes valores del coeficiente de sustentación.

En la literatura técnica, ε se define como la relación entre el coeficiente de arrastre3 y el de sustentación4 y la celeridad λ como la relación entre la velocidad en la punta de la pala a la velocidad del viento. 3 Relación entre la fuerza de arrastre y la fuerza ejercida por el viento sobre el elemento de pala. 4 Relación entre la fuerza de sustentación y la fuerza ejercida por el viento sobre el elemento de pala.



= 0.05

0

σ

σ

σ

Cp

0.4

0.2

0.1

0.3

3 5 7 9 11 12

CO

EF

ICIE

NT

E D

E P

OT

EN

CIA

λ

= 0.20

= 0.10

De esta figura, podemos concluir que en los aerogeneradores, para alcanzar valores altos de la velocidad de rotación, con eficiencias también altas, necesitamos valores elevados de la relación ε = CD / CL, situación que nos obliga al uso de perfiles aerodinámicos (NACA, GOTIGUEN, EIFFIL, etc.). También, para celeridades bajas como las requeridas por las aerobombas, es suficiente el uso de placas planas curvadas, con mayores valores de ε .

Finalmente, como se aprecia en la fig. 7, para conseguir elevadas revoluciones es necesario bajar la solidez s, definida como la relación entre el área frontal de las palas al área barrida por estas cuando giran.

Fig. 7: Variación del coeficiente de potencia con la celeridad para diferentes valores de s – perfil NACA 0015.

Una vez transformada la energía del viento en energía mecánica en el eje del rotor, se realizan otras transformaciones que conllevan pérdidas, dependiendo de la aplicación específica de éste, que se deben tener en cuenta cuando se calcula una máquina.

3.1. Bombeo de Agua.

Los molinos de viento son máquinas que continúan siendo una tecnología apropiada para aplicar en áreas rurales, en las cuales es factible utilizar los recursos locales disponibles, tales como: materiales, energía y mano de obra, lográndose de esta forma que los artesanos que los construyen y los habitantes que los utilizan, tengan todo el proceso bajo control.

Con anterioridad al advenimiento de la electrificación rural, existieron decenas de fabricantes de bombas eólicas en los EE.UU. quedando según se conoce, dos que continúan fabricando el típico molino de viento americano de múltiple pala principalmente empleados en suministrar agua para el ganado vacuno en el oeste.

En el Perú se fabrican en varios talleres de metalmecánica de forma artesanal y semi-industrial, en Piura, Arequipa, Puno y Lima. Los más comunes son los modelos multipala de 2.3 m á 4 m de diámetro, pero la ONG EDEVI tiene diseños hasta de 6m Ø y en Lurín la empresa MATO los fabrica con pocas aspas y en diámetros hasta de 8 m. En las figs. 8 y 9 se aprecian uno de esos molinos en forma esquemática y real.



Bomba

Pozo

Tanque de almacenamiento

Tornamesa

Rotor

Transmisión

Torre

Sistema de control y seguridad

Fig. 8: Esquema de una instalación típica de una aerobomba.

Fig. 9: Aerobomba de 5 m. Ø, fabricado por la empresa GREENPACK



6' 8 - 16' 6' 8' 10' 12' 14' 16'

2 1/4 680 1000 23 34 52 77 110 180

2 1/2 850 1230 20 29 43 65 92 150

2 3/4 1000 1460 17 25 37 55 80 130

3 1200 1780 14 21 31 47 67 110

3 1/4 -- 2075 -- -- 27 40 57 93

3 1/2 1670 2420 11 15 23 35 49 82

3 3/4 -- 2750 -- -- 20 30 44 70

4 2150 3150 8 12 18 26 38 61

4 1/2 2750 4000 7 9 14 21 30 4

5 3400 4900 5 8 11 17 24 40

6 -- 7100 - 5 8 11 17 26

Diámetro de cuerpo de bomba en pulg.

Diámetro de Rotor (Pies).

Altura en metros a que puede elevarse el agua.Capacidad en litros/hora

En la tabla 1, se detalla información sobre el comportamiento característico del Molino de Viento Multipala, como los fabricados en el Perú. Sin embargo, la cantidad de agua que puede bombear un molino es variable y depende tanto de las características del viento como de la máquina.

Tabla 1: Comportamiento de molinos de viento “AEROMOTOR” multipala para bombeo de agua, a nivel del mar.

En la fig. 10 se presenta la variación anual del volumen mensual del agua que pueden bombear dos aerobombas en la localidad de Lurín. En esa misma figura se ha incluido la descarga (promedio de 40 años) del río Lurín. Se puede apreciar como se pueden complementar estos recursos.

El comportamiento de máquinas eólicas para bombeo, tanto en banco de pruebas como en el campo, fue estudiado por el ex ITINTEC, y los resultados se presentan en la referencia 1. Para este propósito se construyeron tanto modelos artesanales como semi-industriales, los mismos que fueron instalados en Lima (Lurín) y Piura (Universidad nacional de Piura).

El modelo artesanal, que es del tipo Creta con un rotor de velas de 6.20 m de Ø, con torre de madera de 6m de alto, tornamesa de acero y bomba de PVC, luego de ser probado por varios años como se indico en párrafo anterior fue llevado a manual (2).

Este manual se utilizo durante el curso seminario realizado en 1976 con el auspicio de la Red de Cooperación en Fuentes Alternas de la FAO, con campesinos de Paiján, luego de lo cual se replicaron 20 en esa localidad.

En la tabla 2, se presenta el pronóstico del comportamiento de esta máquina durante todo un año para la localidad de Lurín.



H (m)

Ø (pulg)

V m³/año

E F M A M J J A S O N D

5 8 88606 7365 5497 5620 6781 7772 6945 6281 8471 8863 9684 8587 8418

10 6 54931 4541 3488 3558 4210 4496 3727 3946 5209 5435 5890 5310 6149

15 4 27374 2258 1752 1828 2112 2243 1891 2110 2581 2676 2878 2605 2535

5

E F M

VOLUMENDESCARGA

(m³)mes

DESCARGA DEL RIO LURIN

METALICO

6 m - Ø ,4" - Ø B

A M J AJ S O N D

CRETA

5 m - Ø ,6" - Ø R

10

20

15

5,000

10,000

15,000

m³ x seg.

Tabla 2: Volumen anual de bombeo por una aerobomba tipo creta de 6mØ.

Fig. 10: Pronóstico del comportamiento de máquinas eólicas del ITINTEC en Lurín – Lima – Perú.

Necesidades de Agua

Las necesidades de agua son variables, dependiendo de la aplicación. En la tabla 3 pueden apreciarse aquellos que se presentan en una granja, tanto en la parte pecuaria como en la casa de un agricultor.



Tipo Lt/día

Vaca lechera 70 Ganado de carne 45 Caballo de trabajo 45 Carnero de pasto seco 7 Carnero de pasto húmedo 3.5 Chanchos 11.5 Pollos (x 100/día) 32 Pavos (x 100/día) 55

Requerimientos domésticos

Para cocina, bañera (tina), inodoro y lavandería

170 lts/persona-día

Uso del jardín 900 lts/hr

Tabla.3: Índices volumétricos de diversos productos en varios valles de la costa del Perú. Fuente: Ministerio de Agricultura – Perú.

En el caso de los cultivos, sus requerimientos de agua dependen de una serie de parámetros, como calidad de suelo, clima, geografía del terreno, etc., y se han desarrollado una serie de expresiones teóricas para pronosticar su valor, así como su variación mensual en todos las valles de nuestra costa y los resultados son publicados por la Dirección de Aguas Superficiales y Subterráneas del Ministerio de Agricultuira.

En vista de lo especializado de este tema, no vamos a entrar en detalle, limitándonos solo a mostrar los índices volumétricos de necesidades de agua para algunos valles del departamento de Piura, conforme se puede apreciar en la tabla 4.

En esta podemos observar la diferencia en la demanda de agua entre unos productos y otros, como es el caso del arroz, frutales y pastos, que requieren gran cantidad de agua frente a otros, como maíz, menestras y hortalizas que demandan mucho menos cantidad de esta. También que en un mismo departamento como Piura la demanda de agua varía en diferentes valles del mismo.

De la comparación entre el caudal bombeado por un molino (oferta) y la cantidad de agua necesaria para una determinada aplicación (demanda), se puede encontrar el tamaño de la máquina necesaria para satisfacer una determinada necesidad, o el número de unidades requeridas. Esto se hace utilizando información del comportamiento del equipo, y la demanda de agua como el que aparece en las tablas 1 y 2.

En los ejemplos de la sección 4, se indican como se pueden usar estas tablas para situaciones reales.



Cultivos Chira San Lorenzo Alto Piura

Algodón 9.3 9.8 8.5

Arroz 16.4 17.2 14.6

Sorgo grano 6.9 -- 6.5

Maíz 8.2 9.2 5.8

Frutales 16.0 16.2 15.2

Pastos y forrajes 18.9 21.0 17.8

Hortalizas 8.5 8.9 --

Menestras 6.6 7.7 6.4

Flores 12.8 -- --

Camote-Yuca 8.9 10.3 --

Maíz amilaceo -- - - 7.9

Otros cultivos. 7.2 -- --

Indice Volumétrico (miles m³/Ha - año)

Tabla 4: Índices volumétricos de diversos productos en varios valles de la costa del Perú. Fuente: Ministerio de Agricultura – Perú.

3.2. Generación de Electricidad

La tecnología requerida por los aerogeneradores es mayor que la que puede ser actualmente asumida en áreas rurales, dado que las máquinas de este tipo no solo requieren del equipo de control y distribución de electricidad, sino también el conocimiento de los detalles necesarios para el acoplamiento de las características operativas del generador o la del rotor, para lo cual se necesita de cierta experiencia en ingeniería.

Un esquema de una instalación típica, para sistemas pequeños (2 kW), aparece en la figura 11, donde la electricidad generada es almacenada en pequeñas baterías que se encuentran en 12, 24 y 48 voltios. Algunos tienen inversores para transformar la corriente directa en alterna.

Características Técnicas

En la década de los setenta, solo una compañía de los EE.UU., continuaba fabricando generadores eólicos de electricidad, la DYNA TECHNOLOGY, la misma que aún fabrica el “Windcharger” utilizado por muchos años en el campo. Su producción normal es un modelo de 12 volt. diseñado para cargar baterías. Estos sistemas producen 200 W a la velocidad máxima del viento (10 m/s).

Varias compañías han empezado a ofrecer sistemas de generadores de viento; la mayoría de estas está distribuyendo máquinas fabricadas en Europa y Australia, sin embargo, existen otras produciendo prototipos, en relativamente pequeñas cantidades, basadas en variaciones de diseños de rotores, generadores o alternadores.



Fusible6 A

+

_

+--

+

-Monitor de potencia

Fusible del

circuito

Regulador de voltaje

Focos y equipos de 12 V

+ -Batería 12

VDC

Dispositivos 110 o 220 VAC

- +

InversorTransmisión

eléctrica

Tornamesa

Rotor

Torre

Almacenamiento

No obstante, en la mayoría de los casos la conveniencia de los precios de estos sistemas es cuestionable para usarlos en pueblos de países en desarrollo, sin mencionar el problema que representa el reemplazo de partes, mantenimiento y reparación.

Pese a lo anterior, los aerogeneradores son considerados como sistemas de uso potencial, debido a que el incremento de su demanda, puede dar como resultado, la reducción de costos y simplificación de fabricación.

Fig. 11: Esquema de la instalación de un aerogenerador.

En el ex ITINTEC se hicieron importantes progresos en un desarrollo conjunto de pequeños aerogeneradores como la empresa DELCROSA, dedicada a la producción industrial de motores eléctricos. Se llevó a etapa de prototipo una máquina de 500 w, cuyo generador era un motor DELCROSA modificado. Sin embargo, la diferencia en el comportamiento del generador y la rueda eólica (torque con la velocidad angular), no permitió el acoplamiento de ambas y no se pudo repetir el éxito alcanzado con estas modificaciones en generadores para motores hidráulicos, realizado por las mismas instituciones.

Un desarrollo interesante que ya se puede encontrar comercialmente en nuestro país son los aerogeneradores de imanes permanentes, que reemplazan a los que se ofrecían hasta hace poco, en base a alternadores de automóviles. Estos son el resultado de esfuerzos conjuntos realizados por universidades, ONGs y pequeñas empresas.

En la Fig. 12 se presenta el comportamiento de un aerogenerador de imanes permanentes de 100 w, de fabricación nacional, que lo produce la empresa TEPERSAC.

Los sistemas más grandes pueden generar en 220 V y algunos están conectados a la red a través de un dispositivo eléctrico que permite tomar energía cuando se genere el exceso, al final del mes se contabiliza la diferencia y el usuario sabe si tiene que pagar o cobrar al concesionario eléctrico.



Velocidad de Viento vs Potencia

0

20

40

60

80

100

120

140

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00m/s

Wat

ts

Fig. 12. Comportamiento de un modelo de aerogenerador de imanes permanentes de

100 W, fabricado por TEPERSAC.

Fig.13. Instalación de un aerogenerador de imanes permanentes de 100 W, fabricado por la empresa TEPERSAC.



DispositivoPotencia

(W)Número de unidades

Uso diario (h)Consumo mensual

estimado (kWh)

Foco 20 5 5 15

Radio 50 1 3 4.50

Otros 50 1 2 3

DispositivoPotencia


Uso diario (h)

Consumo mensual estimado (kWh)

Focos 20 20 5 60

Bomba eléctrica 500 2 8 240

Refrigerador (14 PC3) 240 1 8 57.60

TV (B/N) 70 1 4 8.40

Equipo de Sonido 400 1 1 12

Proyector de slide 400 1 1 12

Otros 300 1 1 9

Necesidades de Energía Eléctrica

Es muy variable la necesidad de energía eléctrica de una persona y ello depende de su nivel cultural, capacidad económica, disponibilidad de facilidades, etc.

Al igual que para el bombeo de agua, se puede determinar el tamaño de una máquina eólica si comparamos la demanda de energía con la generación de energía eléctrica de un determinado modelo, con lo cual se fija el tamaño o la cantidad de máquinas necesarias para aplicaciones rurales.

En el caso de usuarios rurales, se ha calculado su necesidad de energía básicas, y los resultados se presentan en las tablas 5 y 6 (Ver ref. 16), pero se pueden hacer los cálculos para proveer mayor confort como veremos en la Tabla 7, mostrada más adelante.

Tabla 5: Estimado de la demanda por familia.

Tabla 6: Estimado de la demanda comunal.

La demanda mostrada en las tablas 5 y 6 pueden disminuir drásticamente si se utilizan focos fríos, como los producidos por la Philips, Osram y otros, los cuales con una potencia de 18 W iluminan como un foco normal de 75 W y tienen una vida útil de 5,000 horas. Si bien es cierto el costo de instalación es hasta 10 veces mayor que el del foco normal, ésta se justifica ampliamente por el ahorro de energía que se logra y la mayor duración de éstos, que en el medio rural puede ser de 4 a 5 años.



Aplicación

Acondicionamiento de aire (Ventana) 1325 110Asador (Giratorio) 1325 17Aspirador del polvo 700 3Cafetera (Automática) 850 8Calentador de agua (45 KW) 4500 323Calentador portatil (1KW) 1000 100Cocina de horno 12000 100Colcha (Automática) 190 11Conservador de alimentos (Standard 15'3) 350 88Conservador de alimentos (Sin congelador 15'3) 440 127Freidora 1440 8Lampara de calor (Infrarroja) 250 1Lavadora automática 600 7Lavadora no automática 280 5Lavaplatos 180 29Mezclador de alimentos 290 1Olla 1000 8Parrilla (Emparedados) 1180 3Plancha (Manual) 1085 12Plancha (de alisar) 1500 13Radio 50 4.5Minicomponente 115 9Refrigerador STD 12'3 265 71Refrigerador sin congelador 12'3 295 79Refrigerador/congelador STD 14'3 435 131Refrigerador/congelador STD 14'3 390 100Reloj 2 2Sartén automática 1160 16Secador de pelo 260 1Secador de ropa 4000 70Televisor B/N 70 8.4Tostador 1130 3Ventilador de techo 365 27Ventilador (oscilante) 85 4

Estimado energía por mes (KWh)

Potencia promedio

(W)

Tabla 7: Consumo estimado de aplicación doméstica (22).

Es importante destacar, no obstante, la gran demanda que significa el satisfacer necesidades de energía térmica en una vivienda: cocción, calefacción, secado, planchado, etc, por lo cual deberán buscarse otras fuentes más económicas, si se quiere mayor confort.



4.0 Apreciaciones técnicas y económicas de Sistemas eólicos

4.1. Aerobombas

La fábrica IMPLEMENTOS AGRÍCOLAS DE ARGENTINA, produce una aerobomba con rotor reciprocante en forma de abanico y bomba cilíndrica, del tipo comúnmente utilizado en los EE.UU. Realmente, esta compañía tiene una licencia de la firma norteamericana AEROMOTOR, que aún distribuye el paquete completo pero ya no fabrica molinos de viento ni bombas; los rotores varían en tamaño de 1.83 a 4.88 m. en diámetro. Los precios en los EE.UU. excluyendo el costo de la torre, son del rango de US$ 465 a 4,235. La capacidad de las bombas es similar a la de la DEMPSTER.

4.2. Aerogeneradores

En la Tabla 8 podemos apreciar las características técnicas de pequeños aerogeneradores comerciales, con potencias que varían entre los 50 y 6,000 wats. Para cada modelo presentado en ésta Tabla, se aprecia el voltaje nominal, pero pueden ser entregados a los diversos voltajes de salida que se indican.

En esta Tabla se indica también el diámetro del rotor y el número de palas. Finalmente se indica el costo de los diversos componentes. Asimismo, que los equipos se pueden entregar para generar corriente alterna, monofásicos o trifásicos con voltaje de 110 V y frecuencia diversa.

En la Tabla 9 podemos apreciar el costo de los componentes de aerogeneradores de 3 distintos tamaños, desde 100 w á 6000 w. En la última fila de ésta Tabla podemos apreciar el efecto del tamaño del equipo en el costo del mismo.

Otra máquina interesante para nuestras realidades es el Windcharger, que genera unos 120 w en nuestro medio, cuyo costo incluyendo las aspas el generador tableros de mando controles eléctricos frenos de mano y una torre de 3 m de altura menos baterías, es alrededor de US$ 900 en Brasil y Argentina.

4.3. Selección y Capacidad de la Batería

Los sistemas pequeños utilizan generalmente baterías de plomo ácido. Algunos usan baterías alcalinas que son más caras pero requieren menos mantenimiento y tienen mejores características de almacenamiento.

En general, las mejores baterías para aerogeneradores son del tipo de ciclo profundo, las que están diseñadas para permitir hasta 300 descargas, seguidas por cargas completas en su vida de trabajo.

La capacidad de almacenamiento a seleccionar dependerá no solamente del tamaño y características del generador, sino del período de calma más largo en el cual deba mantenerse el suministro de corriente. En la práctica las baterías adecuadas se encuentran en el rango de 130 a 450 Ah. Las baterías standard europeas para automóvil están en el rango de 25 a 45 Ah y las americanas, en el rango de 60 Ah.

La capacidad de una batería, representa la cantidad de amperios que pueden ser suministrados en una hora, o por cuantas horas puede ser entregada una corriente de un amperio.



Watts Voltios

W50 18 50 DC 6/12/24 0.45 2

W250 18 250 DC 12/24 0.66 2

W V05 9 600 DC 25/36 2.5 2

W V15G 10 1200 DC 25/36/48/65/110 3 2

W V25G 11 2200 DC 36/48/65/110 3.6 2

W V35G 11 4000 DC 48/65/110 4.4 3

W VG50G 12 5/6000 DC 65/110 5 3

W V15W 10 1200 AC 110,1-Fase (30-70 Hz)

3 2

W V25D 11 2000 AC110,3-Fase (40,70 Hz)

3.6 3

W V35D 10 3500 AC110/220,3 Fase

(35-60 Hz)4.4 3

W VG50D 10 5000 AC 110/220,3 Fase 5 3

ModeloSalida N° de

palas (m)

Vol. Nom

Diametro (m)

Esta, se puede encontrar por la siguiente expresión:

Watts x horas de operación Amp-Hora de la batería = --------------------------------------------

voltaje del circuito

Por ejemplo: si tenemos una demanda de 500 W como la originada para accionar un proyector de diapositivas o un betamax en el medio rural, si queremos utilizarlos por dos períodos de 20 min c/u en dos comunidades diferentes en el mismo día, necesitaremos:

500 W x 1.3 horas Amp-Hora = ------------------------------ = 60

12 V x 0.9

Este requerimiento se satisface con una batería de auto americano tal como se indica líneas arriba, más un inversor cuya eficiencia se ha considerado en 90% para propósito de este ejemplo.

Tabla 8. Comportamiento de diversos modelos de aerogeneradores GMBH.



Potencia nominal 100 W 500 W 6 kW

Velocidad del viento especifico 6 m/s 7.5 m/s 13.5 m/s

Salidas en viento de 8 m/s 100 W --- 2.5 kW

Costo diversos componentes del sistema ---

Rotor (Palas, cambiador de paso, cubo) 107 357 400

Parte eléctrica (Generador, controles, etc.) 262 476 250

Partes mecánicas (Caja de engranaje, --

tornamesa, control de guiñada, ejes) -- --

Turbina de viento -- -- 1600

Torre de cimentación. 179 417 245

Costo del equipo. 548 1250 2495

Transporte, preparación terreno. 50 50 100

Instalación y prueba. 119 179

Costo Total 717 1478 2595

Costo por kW 7165 2956 433

Tabla 9: Resumen de los costos para tres tamaños de aerogeneradores (en US$/kW y

viento de 7 m/s)

5.0 Sistemas eólicos en el Perú, su magnitud y perspectivas (21) (22).

Existen 2 experiencias destacables en cuanto al bombeo de agua con molinos de viento: Miramar y Vichallay en el Departamento de Piura con molinos rústicos de madera, difundidos también a Lambayeque y La Libertad, y en la urbanización semi-rural Pachacutec, en la Variante de Uchumayo en Arequipa, difundida mas tarde a Camaná, Puno, Tacna, Paracas y otras localidades del país.

Luego del último Niño, en Miramar quedan alrededor de 2000 Aerobombas construidas de madera y esteras y usadas por los campesinos locales para bombear agua del río hacia los terrenos agrícolas más elevados. Estos molinos levantan unos10 a 12 lts/seg. de agua con un promedio de 7 horas diarias de viento entre 6 y 10 m/seg. La tecnología tiene más de 75 años. El costo de un molino es de unos 500 US $. En Pachacutec, un pequeño empresario arequipeño (Sr. Segovia) inicio hace unos 30 años la fabricación y comercialización de aerobombas metálicas para irrigar huertos familiares. Desde 1970 hasta 1975 se han fabricado más de 1500 aerobombas para Arequipa, Cuzco, Puno, Ica y Lima. En Pachacutec en épocas de viento se pueden extraer al día hasta 50 cilindros de agua de 200 lts. cada uno.

Los talleres de metalmecánica de Arequipa producen molinos de 3 tamaños: Con 2.8 m. de rotor (US $ 1500), con 3.5 m. de rotor (US$ 2500) y por 4.5 m. de rotor (US $ 3500). Todos estos precios son para profundidades de acuífero de 6 m. Estos precios son solo para materiales y mano de obra del molino.



En mayo de 1990 se inicio un proyecto para instalar aerobombas argentinas marca FIASA, para riego. El proyecto “Apoyo a la producción alimentaria de la provincia de Pisco” fue financiado por el Fondo de Cooperación Técnica de Argentina, y por el Gobierno Peruano. Estuvo a cargo de la ONG CAESCOOP, y duro 10 meses. Se iban a instalar 9 molinos para beneficiar a 20 familias de agricultores, para irrigar 100 Há de terreno agrícola. Los equipos consistían en la aerobomba (con rotor de 3 m. de Ø y 20 aspas) una torre de 9 m, un reservorio de 30 m³, un pozo de 8 m de profundidad y un sistema de riego por goteo.

En la década del 90 se realizó un proyecto para la instalación de 50 aerobombas metálicas de 5mts de Ø, con diseño de bomba patentado en Suiza, fabricadas por Yohersa. Máquinas similares se construyen en Cieneguilla y Pachacamac.

Hay pocas experiencias con aerogeneradores en nuestro país. En 1983 ELECTROPERU y la Cooperación Técnica Italiana, realizaron un proyecto piloto de aerogeneración en la caleta de Pescadores Yacila (Piura) de 80 de familias. Se trataba de 3 unidades MP-5, Riva Calzoni, bipala y eje horizontal con Ø de rotor de 5.3 mts, potencia máxima de 3.6 kW a una velocidad de viento de 12 m/s. El sistema de acumulación estaba compuesto por 54 baterías en serie a 108 VCC de salida y 1500 Ah. Por medio de un inversor de 10 kW se transformaba la tensión a 220 VCA.

En una segunda etapa, en Julio de 1988, se instalaron 3 aerogeneradores ISEA de 10 kW para suministro público, con un banco de baterías de 630 Ah, 2 inversores de 35 kW cada uno, un cargador de baterías de 35 kW y un tablero de distribución de 70 kW.

Debemos mencionar a los aerogeneradores WAIRA, fabricados en el país con tecnología europea, de entre 500 y 1200 Watts. Mas de la mitad de ellos no están operativos en la actualidad, sus características son rotor de fibra de vidrio de 3 m de Ø, con frecuencia nominal de giro de 300 r.p.m, y torre metálica de 6.3 m. de altura.

Finalmente mencionamos a la empresa TEPERSAC, que en la actualidad fabrica aerogeneradores de imanes permanentes de 100 y 500 Watts, con tecnología proporcionada por ITDG.

Las perspectivas para las energías renovables, dentro de las cuales se encuentra la eólica, se pueden inferir de la política y del Plan referencial al 2015 del sector energía (23), que no obstante lo positivo del primero en el otro se nota todavía un sesgo claro a los hidrocarburos, representados esta vez por el gas natural.

Otro aspecto son los incentivos que tendría que proponer el sector y auspiciar el gobierno central, que para un energético renovable como el viento, cuya aplicación se traduce en equipos que tendrán una inversión de capital mayor que su equivalente con energía comercial, pero no figuran tampoco en los planes ya referidos.

Ante esta perspectiva, solo se espera que los gobiernos regionales puedan dar los incentivos y se establezcan las facilidades para que las inversiones en estos equipos se vuelvan atractivas.




Bomba8 m

.

Napa

Rotor

Tornamesa

3 m

.

Animal (Ver Tabla 5)

Consumo lt/día

CantidadConsumo Total lt/día

Vaca 70 100 7000

Cerdo 11.5 200 2300

Cabra 7 100 700

Gallina (100) 32 100 32

Pavos (100) 55 40 22

10054Total

6.0 Aplicaciones y dimensionamiento de sistemas eólicos. Ejemplos

Presentamos a continuación varios casos en los que se solicita el cálculo del sistema eólico correspondiente, ya sea para bombear agua con fines agropecuarios o electricidad para abastecer demandas domesticas y/o comunitarias.

Ejemplo 1. Una granja ubicada en el medio Piura cuenta con el siguiente hato ganadero: 100 vacas lecheras, 200 cerdos, 100 cabras, 100 gallinas y 40 pavos. Si el predio cuenta además con un pozo de agua permanente cuya napa de agua está a 8 m bajo el piso, un tanque ubicado a 3 m de altura sobre el piso y soplan vientos por encima de los 3 m/s, promedio anual por 8 horas diarias ¿Qué tamaño de molino será necesario para suministrar el agua requerida?

Solución

Necesito: 10,054 lts/día de agua

Horas de viento diarias: 8

Consumo horario requerido:

10,054 = 1256.75, aprox. 1260 lts/hr. 8

De la tabla N° 1. Seleccionamos:

Ø de la bomba = 3 ½ pulg.

Ø del rotor: 6 pies = 1.8 m.

Altura de bombeo = 11 m.

Caudal de bombeo = 1670 lts/hr. Ejemplo 2. El dueño un predio agrícola de 2.0 Há, ubicado en el valle de San Lorenzo del departamento de Piura, decide sembrar hortalizas y se encuentra estudiando las alternativas de riego. En esa zona la napa de agua se ubica a 8 m. de profundidad y existe un tanque colocado a 6 m de altura sobre el piso y la velocidad de viento sobrepasa los 3.0 m/s y soplan 10 hora diarias, en promedio al año ¿Puede considerar la posibilidad de riego eólico?

Solución:

Consumo de agua de 2 Há hortalizas (Tabla 4).

9000 m³/Há-año x 2 Há= 18,000 m³



BombaNapa


Tornamesa

6 m

.

8 m

.

Rotor

DispositivoPotencia


Uso diario (h)Consumo mensual

estimado (kWh)

Foco 20 5 5 15

Radio 50 1 3 4.50

Otros 50 1 2 3

22.50Total

Consumo necesario: Como el período vegetativo de las hortalizas es de 4 meses, tenemos:

2x9000 m³/Há-año = 4500 m³/mes 4

Consumo diario

4500 = 150 m³/día = 150000 lts/día 30

Horas de viento: 10

Consumo horario requerido:

150000 = 15000 lts/hr. 10

De la tabla N° 1. Seleccionamos 2 molinos de las siguientes características:

Ø de la bomba = 6 pulg.

Ø del rotor: 14 pies = 4.5 m.

Altura de bombeo = 17 m.

Caudal de bombeo = 7100 lts/hr.

Ejemplo 3. Para la electrificación de una caleta de pescadores en la zona norte del Perú, los ingenieros encargados del proyecto han encontrado que las necesidades domiciliarias anotadas en la tabla 5 son representativas de su demanda de energía y que en la zona soplan 8 horas de viento diarias con velocidad mayor de 6.0 m/s. ¿Qué tamaño de aerogenerador recomendaría?

Consumo mensual: 22.50 kW/hr-mes

Horas de viento: 8

22.50 x 1000 = 93.75 W 8 x 30

Selección de Equipo de la figura 12:

Aerogenerador de 100 W



DispositivoPotencia


Uso diario (h)

Consumo mensual estimado (kWh)

Focos 20 20 5 60

Bomba eléctrica 500 2 8 240

Refrigerador (14 PC3) 240 1 8 57.60

TV (B/N) 70 1 4 8.40

Equipo de Sonido 400 1 1 12

Proyector de slide 400 1 1 12

Otros 300 1 1 9

Total 399

Ejemplo 4. Para las demandas comunitarias de las caletas de pescadores, los ingenieros de la electrificación rural han encontrado que estas se encuentran expresadas en la tabla 6. ¿Qué tamaño de aerogenerador recomendaría en este caso?

Consumo mensual: 399 kW/hr-mes

Horas de viento: 8

399 x 1000 = 1662.5 W 8 x 30 Selección de Equipo de la Tabla N° 8: Aerogenerador WV25G (2200 W)

Instalación de Aerobombas y Aerogeneradores de baja potencia.

Aerobomba\Instalacion_Mantenimiento_Aerobomba.pdf

Reparación y mantenimiento de Aerobombas y Aerogeneradores de Baja Potencia.

Aerogenerador\Instalacion_Mantenimiento_Aerogenerador.pdf



7.0 Recomendaciones

El tema de la energía eólica ha sido tratado en diversos sectores, tanto de la población como en los grupos de investigación pero todavía no se observan, salvo el caso de Miramar y Pachacutec, instalaciones realmente importantes.

Los procesos de Regionalización que se vienen realizando en nuestro país van a necesitar de energía renovable para promover el desarrollo de las zonas más apartadas y deprimidas de nuestro país y tecnología apropiada para que la población haga suyo este conocimiento.

Nuestra visión del uso de este conocimiento, es la construcción masiva de equipos con tecnología apropiada, en la cual el ente de desarrollo local proveerá a los interesados los componentes mínimos necesarios, a precios muy cómodos, y la asistencia técnica para que, con las indicaciones como las presentadas en este manual, se puedan armar el equipo.

Nuestra recomendación sería apoyar iniciativas que permitan consolidar la visión que estamos presentando.



Bibliografía

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